Cdl in Chimica e tecnologie farmaceutiche Corso: Basi biochimiche dell azione dei farmaci Università di Pisa IL PARKINSON Pisa, 18/11/2014 Jessica Caciolla A.A 2014/2015
La malattia di Parkinson è una diffusa sindrome neurodegenerativa. La caratteristica principale della patologia è la preferenziale morte dei neuroni dopaminergici della substantia nigra pars compacta del mesencefalo e la presenza di inclusioni proteinacee, chiamate Lewy body, nei neuroni sopravvissuti.
All'esordio della malattia, i sintomi più evidenti sono legati al movimento ed includono: Tremore Rigidità Bradicinesia Instabilità posturale Altri sintomi non motori comprendono : Problemi neuropsichiatrici (alterazioni dell umore, della cognizione, del comportamento o del pensiero) Difficoltà sensoriali Difficoltà del sonno
La contrazione muscolare è controllata dall azione dell ACETILCOLINA, che ha un effetto stimolante e della DOPAMINA che ha un effetto inibitorio. Il morbo di Parkinson si verifica quando si ha una carenza di dopamina, i sintomi di solito iniziano a comparire solo dopo una riduzione del 25% della normale attività dei neuroni dopaminergici. Il livello di dopamina tende a diminuire lentamente nel tempo con un conseguente peggioramento dei sintomi.
La dopamina (DA) è un neurotrasmettitore prodotto nei neuroni dopaminergici a partire dall L-tirosina: L-tirosina L-dopa Dopamina
Il primo passaggio è catalizzato dall enzima TIROSINA 3- MONOOSSIGENASI: L-tirosina + THFA + O2 + Fe2 L-dopa + DHFA + H2O + Fe2+ La seconda tappa è catalizzata dall enzima L-AMINOACIDO AROMATICO DECARBOSSILASI (comunemente chiamato DOPA DECARBOSSILASI): L-dopa + piridossal fosfato dopamina + piridossal fosfato + CO2 Al momento della sintesi, la dopamina è trasportata dal citosol all interno di vescicole da uno specifico trasportatore (VMAT2) dove è stabilizzata dal basso ph. All arrivo del potenziale d azione, la dopamina è rilasciata nella fessura sinaptica dove esercita la sua funzione; infine viene introdotta nuovamente all interno del neurone e riciclata in altre vescicole sinaptiche.
La dopamina viene poi degradata attraverso due vie:
CAUSE DELLA MALATTIA DI PARKINSON Le cause non sono ancora note, sembra che vi siano molteplici elementi che concorrono al suo sviluppo. Nel 10% dei casi la malattia è collegata a mutazioni su diversi geni tra i quali: PARK1/PARK4(α-sinucleina) PARK8 (LRRK2) PARK2 (Parkina) PARK6 (PINK1) PARK7 (DJ-1) Nella maggior parte dei casi, Parkinsonismo sporadico, l eziologia è sconosciuta.
α-sinucleina : è il principale componente dei corpo di Lewy, la sua funzione non è stata ancora chiarita. Nella forma nativa si trova nella conformazione aperta ma può formare delle fibrille. Mutazioni a carico del gene PARK1/PARK4 potrebbero incrementare la tendenza a formare aggregati; In uno studio furono generate due linee di topi trans genici: SNCA-OVX che aveva un elevata espressione della proteina α-sinucleina (associato al modello con duplicazioni o triplicazioni di SINCA) e hα-syn con un livello basso/moderato di proteina (come controllo dell espressione dell α-syn umana). Nel cervello dei topi SNCA-OVX (di 3 e di 18 mesi di vita) si osservò la presenza di specie solubili di α-syn ad alto peso molecolare, assenti nei topi hα-syn. Queste specie erano simili a quelle osservate nel cervello dei pazienti malati di Parkinson. Nei topi della line SNCA-OVX di 18 mesi di vita fu poi osservata la presenza di aggregati di α-sinucleina. Si pensa che il fenotipo della malati di Parkinson causata da elevati livelli di α-syn non sia collegata agli aggregati proteici ma sia collegata alla formazione di queste specie solubili ad alto peso molecolare
LRRK2: tale proteina è formata da una chinasi, una GTPasi e alcuni domini di interazione con altre proteine. Una mutazione a carico del gene PARK8 possono causare un aumento dell attività chinasica, una disfunzione GTPasica o un alterazione nella dimerizzazione, in base al dominio coinvolto; PINK1: è coinvolta nel mantenimento dei mitocondri e nella risposta contro lo stress ossidativo. Alcune mutazioni (missenso, non senso, frame schift) e larghe delezioni sembrano danneggiare la funzione di tale proteina; DJ-1: è un sensore dello stress ossidativo e può mediare la neuroprotezione. In presenza di stress ossidativo, viene traslocata sulla membrana mitocondriale ed agisce come antiossidante. Mutazioni porta ad una perdita di stabilità della proteina e ad una riduzione della sua attività antiossidante;
Parkina: appartiene alle ubiquitine E3 ligasi; la sua interazione con l ubiquitina catalizza l attacco di quest ultima alla proteina target, in questo modo vengono contrassegnate le proteine che dovranno essere distrutte dal proteasoma. Inoltre, Parkina è coinvolta nel mantenimento dei mitocondri e può indurre autofagia o disfunzioni mitocondriali Uno studio dimostra che la Parkina attenua la tossicità della dopamina nei neuroni dopaminergici umani in quanto riduce la produzione delle specie reattive dell ossigeno. Furono generate due linee cellulari: la linea SH e la linea SH/PKN, quest ultima esprimeva in modo stabile la Parkina. E stato osservato che, nella linea cellulare SH/PKN, la Parkina riduce i livelli di espressione delle Monoammino ossidasi (MAO), gli enzimi responsabili della deamminazione ossidativa della dopamina.
K= lisina N= asparagina T= treonina R= arginina P= prolina Sebbene la Parkina abbia un attività come proteina-ubiquitina E3 ligasi verso molti substrati, l abilità della Parkina di sopprimere l espressione di MAO sembra non essere dipendente dalla sua attività come E3 ligasi, non aumenta l ubiquitazione di MAO-A e di MAO-B. Piuttosto, la Parkina fa diminuire l importo di mrna per MAO-A e MAO-B. Non è ancora chiaro come la Parkina possa far diminuire l espressione di MAO a livello dell RNA. Le tre mutazioni più frequenti nella Parkina sono: K161N, T240R e R42P. Le prime due non vanno a colpire in modo significativo questa abilità della Parkina, tale effetto sembra essere abolito dalla mutazione R42P.
DISFUNZIONE MITOCONDRIALE Schematic represemtation of genes implicated in the mitochondria network. (Exner 2012) La disfunzione mitocondriale è stata proposta come uno dei possibili meccanismi che sono alla base della malattia di Parkinson. C è un complesso collegamento tra i mitocondri ed altri meccanismi cellulari che influenzano la sopravvivenza cellulare.
STRESS OSSIDATIVO Lo stress ossidativo, dovuto ad una sovrapproduzione di ROS, causa danni irreversibili alle macromolecole cellulari e può portare alla morte della cellula. Lo stress ossidativo nel Parkinson è dovuto: Menomazioni del Complesso I Alterati livelli di espressione di molecole antiossidanti Metabolismo della dopamina (Adapted for La Voie 2005) I dopamino-chinoni (DAQs) sono elettron-deficienti e reagiscono con i nucleofili cellulari come i residui di cisteina delle proteine. Il legame covalente con le cisteine porta ad una menomazione o ad un blocco di attività della proteina.
NEUROINFIAMMAZIONE Proposed mechanism of the involvement of inflammation in PD. (Glass et al. 2010)
TRATTAMENTO Per il trattamento della malattia di Parkinson sono disponibili vari farmaci che, seppur non in grado di invertire la malattia, possono comunque migliorare la qualità della vita del paziente affetto. Lo scopo della terapia farmacologica del morbo di Parkinson è quello di sostituire il deficit di dopamina a livello dello striato, mimando la stimolazione fisiologica. I farmaci più utilizzati sono: LEVODOPA: (L-3,4-diidrossifenilalanina o L-dopa), è il precursore fisiologico della dopamina e proprio per questo è in grado di migliorare la sintomatologia della malattia di Parkinson. La levodopa viene utilizzata come profarmaco della dopamina in quanto quest ultima non è in grado di attraversare la barriera ematoencefalica. Viene somministrata insieme ad inibitori della dope-decarbossilasi periferica come CARBIDOPA e BESERAZIDE.
DOPAMINO AGONISTI: stimolano in modo diretto i recettori della dopamina situati a livello post-sinaptico senza dover essere convertiti precedentemente in dopamina; INIBITORI DELLE MONOAMMINO - OSSIDASI: riducono il catabolismo della dopamina ad opera delle MAO con un aumento del tono dopaminergico. Inoltre l inibizione di tale enzima riduce anche la formazione di perossidi provenienti dal metabolismo della dopamina e con essa la produzione di radicali liberi e di stress ossidativo a livello della sostanza nera; INIBITORI DELLE CATECOL-O-METILTRASFERASI: l inibizione della COMT determina un aumento notevole dei livelli centrali e periferici di L-dopa ed un blocco del catabolismo della dopamina; ANTICOLINERGICI: l azione di questi farmaci sembra essere correlata con il disequilibrio che si viene a formare tra l acetilcolina e la dopamina nello striato. Tuttavia questi farmaci hanno un efficacia clinica modesta, indirizzata per lo più verso la rigidità muscolare ed il tremore.
REFERENCES: Genetic basis of Parkinson s disease: inheritance, penetrance, and expression (Claudia Schulte and Thomas Gasser ; The Application of Clinical Genetics 2011 : 4 67-80) Parkin Suppresses the Expression of Monoamine Oxidases ( Jian Feng et al. 2006 Journal of Biological Chemistry volume 281 number 13) Mechanisms Underlying Inflammation in Neurodegeneration (Glass et al. 2010) Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in Parkinson s disease and monogenic parkinsonism (David N Hauser and Teresa G Hastings 2012) Trattamento farmacologico del morbo di Parkinson (S. Beggiato)