Pasquale Ferorelli

Compendio di Biochimica dei tumor i

Per una propedeutica alla Terapia Complementare

Enzimatica in Oncologia

Direzione scientifica Citozeatec

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Gli organismi e la termodinamica

Premessa Le interazioni fra organismi viventi e ambiente terrestre sono molto complesse: ciascun organismo infatti scambia con l’ambiente energia e materia in vario modo, secondo i momenti della sua esistenza ed inoltre, al suo interno, avvengono continuamente trasformazioni di energia. Tutte queste trasformazioni interne di energia all’organismo mettono sempre capo alla cessione di energia all’ambiente (in forma di lavoro, di energia chimica contenuta in sostanze cedute); è allora evidente che ogni organismo, per compensare le proprie perdite e mantenere in pareggio il proprio bilancio energetico, deve continuamente assumere energia dall’ambiente. Nel corso delle trasformazioni che accompagnano i processi vitali, l’entropia nell’organismo (Sorg ) può diminuire se aumenta il suo ordine interno o aumentare se l’ordine interno diminuisce; a queste variazioni di entropia corrisponderanno variazioni in senso opposto all’energia libera interna dell’organismo, si avrà allora che: 1. quando l’organismo si sviluppa e cresce, aumenta la sua energia interna, perché

assume sostanze e quindi energia chimica (∆Uorg >0). D’altro canto, con la biosintesi di molecole complesse che determina l’accrescimento, diminuisce l’entropia dell’organismo (∆Ssorg <0); cresce perciò la sua energia libera (∆Gorg >0). Ovviamente questa diminuzione dell’entropia e questo aumento dell’energia libera all’interno dell’organismo, comporteranno un maggiore incremento dell’entropia e una maggiore diminuzione dell’energia libera nell’ambiente in cui l’organismo vive.

2. Quando, dopo essersi sviluppato, l’organismo mantiene costante la sua organizzazione e l’equilibrio dei suoi scambi con l’ambiente, resta invariata anche la sua energia interna (∆Uorg = 0): la sua entropia e la sua energia libera si mantengono perciò mediamente costanti (∆Sorg =0 e ∆Gorg =0), il che comporta un aumento dell’ entropia e una diminuzione dell’energia libera dell’ambiente.

3. Quando, con la vecchiaia decade la sua organizzazione (ed infine, con la morte, l’organismo si spegne), diminuisce l’energia interna (∆Uorg <0), aumenta l’entropia e diminuisce l’energia libera (∆Sorg > 0 e ∆Gorg < 0), finché, con la decomposizione, del suo corpo, l’essere vivente restituisce all’ambiente tutta l’energia che contiene.

Gli alimenti e l’origine dell’energia cellulare. Prima che le cellule possano utilizzarli, le proteine, i lipidi, e i polisaccaridi che costituiscono la maggior parte dei nostri alimenti, devono essere demoliti in molecole più piccole; si può ammettere che la demolizione enzimatica o catabolismo di queste molecole proceda in due tempi:

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1. Nel primo tempo le grandi molecole polimere vengono degradate fino alle proprie sub unità monomere: le proteine in amminoacidi, i polisaccardi in zuccheri e i grassi in acidi grassi e glicerolo; questi processi preliminari, che si conosciamo nel loro insieme come digestione, avvengono principalmente al di fuori dalla cellula, ad opera di enzimi secreti.

2. Nel secondo tempo le piccole molecole così ottenute penetrano nelle cellule e vengono ulteriormente degradate nel citoplasma. La maggior parte degli atomi di carbonio e di idrogeno degli zuccheri vanno a formare piruvato, che entra nei mitocondri, dove si trasforma nei gruppi acetile dell’acetil coenzima A; al pari dell’ATP l’acetil-CoA è un composto reattivo che all’atto dell’idrolisi libera energia in gran copia, considerevoli quantità di acetil-CoA si producono pure nell’ossidazione degli acidi grassi.

Occorre precisare che molte malattie degenerative sono in aumento in questa nostra epoca a caua delle alterazioni dell’ambiente, all’utilizzo dei cibi transgenici in quanto apportatori di enzimi non in linea all’omeostasi umana, ai molti prodotti di sintesi usati in agricoltura e zootecnia e, non ultima, alla modalità di uccisione degli animali di allevamente, che apportano alla carne quantità enormi di adrenalina, all’inquinamento di aria, acqua e suolo. È doveroso precisare che l’assunzione di cibi alterati, transgenici e non biologici, rappresenta un pericolo latente per la fisiologia cellulare, in quanto i cibi sono realtà che assumiamo ogni giorno e, come tali, possono dare dei colpi irreversibili alle costituzioni genetiche del nostro organismo cellulare. La sintesi delle proteine avviene in tutte le cellule, sia a partire dagli amminoacidi, che giungono tramite i liquidi organici fino alla membrana cellulare e che poi l’attraversano per trasporto attivo, sia a partire dagli amminoacidi che si liberano all’interno delle cellule per demolizione di proteine presenti o ottenute per sintesi. La farmacologia moderna mira soprattutto alla eliminazione delle conseguenze attraverso una sistematica quanto spesso inutile terapia radiante e chemioterapica, per quanto riguarda i tumori e alcune malattie infettive, e a cure con prodotti di sintesi per altre patologie. Nelle cure dell’AIDS nelle patologie virali e nelle neoplasie, nessun farmaco interviene nelle correzione delle anomalie fisiologiche, tutte le terapie, dalle chirurgiche alle radio-chemioterapiche, si comportano in maniera devastativa, senza eliminare le cause che hanno generato la malattia. Nessuno intende disconoscere il beneficio arrecato dalla scoperta della penicillina e degli antibiotici, molte malattie hanno cessato di esistere dopo questi eventi, ma quando un antibiotico viene usato a sproposito, (come nel caso degli allevamenti per uso alimentare), le conseguenze sono quelle che tutti conosciamo, ivi comprese le dismicrobie intestinali e bronchiali. Oggi si conoscono con una certa precisione i meccanismi di degenerazione cellulare operati dai retrovirus, dai virus a DNA e RNA, è abbastanza noto il meccanismo della riparazione del DNA, delle anomalie di replicazione cellulare, come pure sono note le anomalie ereditarie, l’interazione cromosomica fino ad arrivare ai marcatori di trascrizione implicati in ogni attività fisiologica cellulare.

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Le neoplasie

La definizione più rappresentativa delle neoplasie fu data dall’oncologo britannico Willis che recita così: “una neoplasia è una massa anomala di tessuto la cui crescita eccessiva è scoordinata rispetto a quella del tessuto normale e persiste nella sua eccessività anche dopo la cessazione degli stimoli che l’hanno provocata”. Da qui le attività di enzimi neoplastici. Essa devasta l’ospite in quanto le cellule neoplastiche competono con le cellule dei tessuti normali per l’approvvigionamento energetico e nutritivo; tutte le neoplasie dipendono dall’ospite per il nutrimento ed il supporto vascolare e molte di esse richiedono un supporto ormonale. Tutti i tumori benigni e maligni, sono costituiti da due componenti principali:

1. le cellule neoplastiche proliferanti, che costituiscono il parenchima. 2. lo stroma di supporto, costituito da tessuto connettivo e da vasi sanguigni;

sebbene le cellule parenchimali costituiscano la componente proliferativa del tumore e ne determinino pertanto la natura, la crescita e l’evoluzione delle neoplasie dipendono in maniera critica dal loro stroma.

Talvolta le cellue parenchimali stimolano la formazione di un abbondante stroma ricco di colagene e tali formazioni sono denominate desmoplasie; la terminologia dei tumori si basa sulla componente parenchimale. Le caratteristiche cellulari, la loro costituzione biochimica e i meccanismi fisiologici e citologici sono largamente descritti nei due trattati di “Biologia molecolare del corpo umano”; in questo Compendio si vogliono riassumere e specificare gli eventi molecolari nella proliferazione cellulare, per poi descrivere le caratteristiche delle neoplasie, le cure farmacologiche e quelle biochimiche.

Eventi molecolari della proliferazione cellulare. Ci sono tre schemi generali di trasmissione dei segnali tra cellule: autocrina, paracrina e endocrina; la differenza sta nella distanza in cui agisce il segnale, inoltre alcune proteine di membrana, presenti sulla superficie di una cellula, possono interagire direttamente con recettori situati su una cellula adiacente. (Vedi figura) Modelli generali di trasmissione intercellulare dei segnali.

1. segnalazione autocrina: le cellule rispondono a sostanze che esse stesse secernono; quando un stessa cellula

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produce un fattore di crescita ed il ricettore corrispondente, si stabilisce un circuito autocrino. La regolazione autocrina di crescita gioca un ruolo nell’iperplasia e, in particolare, nei tumori; nelle cellule tumorali si osserva frequentemente una sovrapposizione di fattori di crescita che possono stimolare la crescita e la stimolazione.

2. segnalazione paracrina; una cellula produce molecole che influenzano solamente cellule bersaglio situate nelle immediate vicinanze. La stimolazione paracrina è frequente nella riparazione delle ferite ad opera del tessuto connettivo.

3. segnalazione endocrina: gli ormoni sono sintetizzati dalle cellule degli organi endocrini, agiscono su cellule bersaglio distanti dal sito di sintesi e sono solitamente trasportati dal sangue.

Recettori di superficie. La proliferazione cellulare è innescata dal legame di una molecola con funzione di messaggero, per lo più un fattore di crescita, ad un recettore specifico. Le proteine con funzione recettoriale possono essere situate sulla superficie cellulare bersaglio oppure ritrovarsi nel citoplasma o nel nucleo; ogni proteina recettoriale possiede una specificità di legame per particolari ligandi, il complesso recettore-ligando che ne risulta dà origine ad una risposta cellulare specifica. Vi sono tra classi di recettori di membrana importanti per la crescita cellulare. 1) Recettori con attività chinasica intrinseca. Sono costituiti da un dominio extracellulare per legare il ligando, da una sola regione transmembrana e da un dominio citosolico che può avere attività chinasica sulla tirosina o, meno frequentemente, su serina/treonina; molti di questi fattori di crescita sono proteine dimeriche che, contenendo due regioni capaci di legare i recettori, possono indurre la dimerizzazione stabile legando simultaneamente due molecole. La dimerizzazione è seguita dall’autofosforilazione dei recettori, un processo in cui una molecola di recettore fosforila l’altra ad essa unita nel dimero; la fosforilazione del recettore crea siti di legame per una serie di proteine citosoliche dotate di domini SH2 che sono reclutate dai residui tirosinici fosforilati dei recettori, queste proteine citosoliche comprendono:

1. diverse proteine adattatrici che accoppiano il recettore alla via di trasduzione del ras.

2. componenti della via della fosfoinositide 3-chinasi (PI-3chinasi). 3. La fosfolipasi C-y della via di trasduzione centrata sulla proteina chiansi C. 4. Membri della famiglia di tirosin chinasi (src).

Collettivamente, questi quattro sistemi producono una cascata di risposte che induce, in ultima analisi, la cellula ad entrare nella fase S del ciclo cellulare; alcune di queste vie producono anche segnali che stimolano risposte deverse dalla proliferazione cellulare.

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2) Recettori privi di attività catalitica. Sono costituiti da un dominio extracellulare di legame, da una sola regione transmembrana e da un dominio citosolico che si associa direttamente con una o più tirosinchinasi citosoliche, determinandone l’attivazione; a loro volta queste tirosinchinasi fosforilano il recettore. 3) Recettori legati alle proteine G. Contengono sette anse che attraversano la membrana plasmatica; sebbene qusta classe di recettori non sia strattamente associata al controllo della crescita cellulare, è tuttavia associata a svariate importanti fuzioni come, ad esempio, i recettori per gli ormoni epinefrina e glucagone. Il legame con il ligando attiva una proteina G trasduttrice del segnale che, a sua volta, attiva un sistema che produce secondi messaggeri intracellulari.

Via delle chinasi attivate da mitogeni. La trasduzione del segnale è un processo in cui i segnali extracellulari sono rilevati e trasformati in segnali intracellulari che, a loro volta, producono risposte cellulari specifiche. I sistemi di tasduzione dei segnali sono tipicamente organizzati come reti di protein-chinasi che agiscono in conseguenza; i più importanti, coinvolti nella regolazione della proliferazione cellulare, sono i seguenti: Chinasi attivate dai mitogeni (mitogen-activated protein kinases, MAP kinases); PI-3 chinasi; Inositolo trifosfato (IP 3); adenosin monofosfato ciclico (AMPc), sistema JAK/STAT. (Vedi figura sotto riportata).

Schema semplificato dei principali tipi di recettori di superficie e delle principali vie di trasduzione del segnale.

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Il sistema delle MAP-chinasi è particolarmente importante nella trasduzione dei segnali inviati da fattori di crescita; il legame del ligando appropriato ad un recettore tirosin-chinasico provoca l’autofosforolazione del recettore ed il suo legame a proteine adattatrici come GRB2 e SOS. (Vedi figura sotto riportata).

Meccanismi di trasmissione dei segnali relativi ai recettori tirosin chinasi.Il legame di un fattore di crescita induce la dimerizzazione del recettore e l’autofosforilazione dei residui di tirosina; il legame di proteine adattatrici (come GRB2 e SOS) accoppia il recettore alla proteina ras nella sua forma inattiva. GAP regola il passaggio ciclico di ras dalla forma attiva a quella inattiva; ras nella forma attivasi lega a raf attivandolo a sua volta. Questa chinasi fosforilata, poi MEK, un componente della via della segnalazione della MAP chinasi, che fosforila ERK ( una MAP chinasi); la MAP chinasi attivata fosforila altre proteine citoplasmatiche e altri fattori di trascrizioni nucleari, generando risposte cellulari.Il recettore tirosin chinasico fosforilato può legare anche altri componenti , come la PI-3 chinasi, che attivano vie di trasmissione dei segnali diverse. Ciò porta all’attivazione della proteina Ras, che fa parte della superfamiglia di proteine ad attività GTP-asica, che passano alternativamente da una foma attiva ad una inattiva; nella sua forma inattiva, Ras lega il guanosin-difosfato (GDP) e dopo essere stata attivata, la proteina Ras rilascia il GDP per legare il GTP. Ciò dà inizio ad una cascata di attivazioni di chinasi localizzate più a valle, che culmina in modificazione dell’espressione genica; l’attivazione di Ras è costrastata da un’altra proteina chiamata GAP (GTPase activating protein) che promuovendo l’idrolasi del GTP riconduce Ras allo stato inattivo (legato al GDP). Forme mutanti di Ras possono legare il GTP ma non idrolizzarlo, pertanto restano permanentemente fissate in uno stato di accensione, associato ad un aumento della proliferazione cellualre, come si osserva in molte forme tumorali umane. Nella forma attivata, Ras lega anche la proteina Raf che lega e fosforila MRK, un membro della famiglia di chinasi chiamate

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collettivamente MAP- chinasi; questa è localizzata più a valle (ERK) trasloca all’interno del nucleo dove fosforila specifici fattori di trascrizione, come c-jun e c-fos che, a loro volta, attivano l’espressione genica.

Via degli inositoli-lipidi. Il sistema di tarasmisisone del segnale basato su IP3 può essere accoppiato alle tirosin-chinasi o ai recettrori con sette domini transmembrana che, a loro volta, sono legati alle proteine G; ciò causa l’attivazione di una proteina G (G0 o Gq), che successivamente ativa la fosfolipase C-y; (vedi figura).

La via di segnalazione degli inositoli-lipidi. Il legame di un ligando ad un recettore transmembrana del tipo con sette domini transmembrana attiva una proteina G che, a sua volta, attiva la fosfolipasi C; questo enzima scinde il fosfatidilinositolo 4,5 difosfato (PIP2) in inositolo 1,4,5 trifosfato (IP3) e 1,2 diacilglicerolo (DAG). DAG ativa la protein chinasi C che fosforila una serie di proteine che modificano funzioni cellulari; IP3 diffonde nel citoplasma, finendo per interagire con i canali di membrana del reticolo endoplasmatico, ciò causa il rilascio di uno ione calcio e l’induzione di risposte cellulari. La fosfolipasi C-y, a sua volta, scinde il fosfatidilinositolo-4,5-difosfato (PIP2) in inositolo 1,4,5,-trifosfato (IP3) e 1,3 diacilglicerolo (DAG); IP3 diffonde poi nel citoplasma e si associa ai canali del calcio IP3-sensibili, situati nella membrana del reticolo endoplasmatico, causando la fuoriuscita del calcio dai depositi.