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PROTEINE RIBELLI… (REBELS ARE WE...) Un saluto e un augurio di curiosità culturale sempre viva… Dr. Stefano Gestri L.S. “Niccolò Copernico” Prato, 04-10-2014.

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1 PROTEINE RIBELLI… (REBELS ARE WE...) Un saluto e un augurio di curiosità culturale sempre viva… Dr. Stefano Gestri L.S. “Niccolò Copernico” Prato,

2 TABLE OF CONTENTS AbstracIntroduction Proteins folding Proteic misfolding Amyloidoses Fibrils characterization Any question? Polyphenols: sources, metabolism and activities Fighting against the amyloidoses Conclusions Bibliography (and more) Looking forward…

3 ABSTRACT (I) Amyloidosis encompasses a large group of diseases characterized by tissue deposition of proteins generally assembled in antiparallel β- strands Over 20 human proteic molecules, intact or fragmented, have resulted amyloidogenic in vivo, and connected with disorders such as Alzheimer’s, Parkinson’s and type II diabetes diseases. Amyloidoses are often divided into neurodegenerative disorders, non-neuropathic localized amyloidoses and systemic amyloidoses

4 ABSTRACT (II) Polyphenols are nutraceuticals widely diffused in the human diet, and used in the phytopharmaceutical industry for their antioxidant properties According to their structure, they are divided in phenolic acids, flavonoids, stilbenes, and lignans Some of them are described as efficient in vitro inhibitors of amyloid fibril formation; several results suggest their possible future uses, in nutraceutical or pharmaceutical forms, for amyloidosis prevention or treatment

5 INTRODUCTION (I): THE BEGINNING L'encefalopatia spongiforme bovina (BSE, ossia Bovine Spongiform Encephalopathy) fu scoperta nel Regno Unito nel 1986 Fa parte di un gruppo di malattie denominate encefalopatie spongiformi trasmissibili (TSE) S. Prusiner, Nobel per la medicina per la sua ricerca sui prioni, ha mostrato legami tra BSE e una variante della malattia di Creutzfeldt- Jakob (vCJD) che colpisce l’uomo

6 INTRODUCTION (I): CLINICAL DATA Morbo di Alzheimer: si stima che entro il 2050 a livello mondiale ne sarà affetta 1 persona su 85 Negli adolescenti statunitensi il diabete di tipo 2 viene ormai diagnosticato con una frequenza simile al diabete di tipo 1…

7 PROTEINS FOLDING Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria delle proteine Folding cotraduzionale o (nella cellula eucariota) dal reticolo endoplasmatico all’apparato di Golgi Processo guidato dalle proteine chaperonine Foldone: 2 β-strand e 1 α-elica Paradosso di Levinthal (1968) Misfolding o aggregazione

8 PROTEIC MISFOLDING Aggregazione amiloide delle proteine: deposizione tissutale di strutture proteiche supramolecolari organizzate in foglietti β. Il tutto si evolve fino alla formazione di fibrille, il cui asse risulta perpendicolare ai filamenti β, paralleli o antiparalleli. Si parla di strutture cross β Sono stati elaborati algoritmi per il calcolo della propensione ad aggregare di una qualsiasi sequenza aminoacidica (per ogni aminoacido si determina Z agg, partendo dal contesto molecolare dei 3 aminoacidi precedenti e dei 3 successivi)

9 HISTORY Il termine amiloide fu introdotto nel 1854 dal medico tedesco Rudolph Virchow, che notò come anomali corpi tissutali del cervello si colorassero in blu pallido se trattati con iodio, e in violetto dopo la successiva aggiunta di acido solforico, e pensò si trattasse di cellulosa o amido. “Amido” deriva dal latino “amylum”, che, traducendo il termine greco “amylon”, indica un materiale “non macinato” Nel 1959 Friedereiche e Kekulè dimostrarono, valutandone l’alto contenuto in azoto, che la sostanza amiloide contiene proteine In vivo gli aggregati amiloidi risultano costituiti da proteine unite ad apprezzabili quantità di glicidi

10 AMYLOID FIBRILS FORMATION (ENERGY LANDSCAPE MODEL) L’aggregazione sembra richiedere delle condizioni di parziale unfolding; può addirittura coinvolgere proteine o peptidi che nel loro stato nativo sono unfolded Spesso la fase d’accrescimento esponenziale è preceduta da una fase di latenza (lag phase) Protofibrille: perline in catene o anelli; 2-5 nm di diametro; costituite da 2-6 monomeri proteici Protofilamenti: 2-6 superavvolti in ogni fibrilla; 2- 5 nm di diametro; costituiti dall’impilamento di uno o più strand  Fibrille: 7-13 nm di diametro; lunghezza micrometrica

11 FIBRILS TOXICITY I primi studi sull’aggregazione amiloide in vitro risalgono al 1998 Gli aggregati solubili (“inclusioni cellulari”, fino alle protofibrille) sono assai citotossici (forse scompaginano i 3-8 mm di fosfolipidi membranali, con ingresso di calcio e apoptosi) Sono citotossiche anche le fibrille mature (il termine è usato per lo più per strutture extracellulari)

12 AGGREGATING PROTEINS AND RELATED DISEASES Amiloidosi umane (oltre 40): neurodegenerative localizzate non- neuropatiche sistemiche non- neuropatiche Il diabete di tipo 2 è un fattore di rischio per il morbo di Alzheimer (considerato “diabete di tipo 3”) Alcuni antidiabetici promuovono la neurogenesi e riducono la neuroinfiammazione

13 PROPERTIES OF THE AMYLOID AGGREGATES Permettono di definire un aggregato proteico “fibrilla amiloide”, se copresenti: la birifrangenza in verde dopo la colorazione con Congo red (CR), la morfologia fibrillare e la predominanza di foglietti β Le fibrille amiloidi sono state studiate al microscopio elettronico a trasmissione (TEM, con potere risolutivo di 2 nm) negli anni ’50; sono state usate anche la STEM, la cryo-EM e l’AFM (microscopia a forza atomica, nata nel 1986, utile per la determinazione dello spessore) Informazioni sul diametro delle varie particelle presenti possono ottenersi anche dal dynamic light scattering (DLS )

14 STUDYING AMYLOID AGGREGATES Per la determinazione della struttura secondaria delle fibrille amiloidi la tecnica originariamente usata è stata la diffrazione dei raggi X Hanno poi contribuito: risonanza magnetica allo stato solido (SSNMR) e spin labeling sito- specifico accoppiato alla risonanza paramagnetica elettronica (SDSL- EPR) Meno costoso è risultato il dicroismo circolare (CD) - segnale a 216 nm Con quantitativi di proteina intorno al mg può essere utilizzata la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR); fa risparmiare campione la tecnica della riflessione totale interna attenuata (ATR )

15 SCREENING ON AMYLOID AGGREGATES Test del Congo red (CR) – segnale a 540 nm, descritto oltre 50 anni fa Dosaggio fluorimetrico tramite tioflavina T (ThT) – segnale a 485 nm, in seguito a red-shift

16 …TO BE CONTINUED

17 AGAINST AMYLOID AGGREGATION Il termine “nutraceutico” fu coniato nel 1989 dal medico Stephen DeFelice Talvolta si parla anche di alimenti funzionali

18 POLYPHENOLS: CLASSIFICATION Oltre 8000 in natura; metaboliti secondari di piante, spesso con funzione difensiva Classificazione chimica di J. B. Harborne (anni ’80 del secolo scorso) Oltre 4000 flavonoidi (pigmenti dei fiori), talora glicosilati Oltre 200 antocianine (flavonoidi rosso- violetti) Analisi per lo più con HPLC/DAD/MS Acidi fenolici

19 POLYPHENOLS: SOURCES AND BIOAVAILABILITY Principali fonti alimentari: frutta e succhi di frutta, ortaggi, tè, cioccolata, vino rosso 1 g/die (2/3 di flavonoidi) Le fibre, i metalli bivalenti e le proteine ne diminuiscono la biodisponibilità Antiossidanti quali le vitamine C ed E possono ridurne la degradazione intestinale

20 POLYPHENOLS: METABOLISM Il 75-99% dei polifenoli ingeriti non si ritrova nelle urine immodificato I flavonoli e le antocianidine possono essere assorbiti glicosilati Il ramnosio è staccato dalla α- ramnosidasi della microflora del colon Alcuni polifenoli possono essere assorbiti per trasporto attivo Massime concentrazioni ematiche dopo 1,5-5,5 h Coniugazione con acido glucuronico (soprattutto per gli isoflavoni) nel reticolo endoplasmatico Emivite di alcune ore Escrezione urinaria dei polifenoli: 0,3-43% CBG = Cytosolic beta-glucosidase (EC ) LPH = Lactase-phlorizin hydrolase (EC ) COMT = Catechol-O-methyltransferase (EC ) UDPGT = UDP glucoronosyl transferase (EC ) SULT = Phenol sulfotransferase (EC )

21 POLYPHENOLS: BIOLOGICAL ACTIVITIES I polifenoli sono usati come antiossidanti per preparati farmaceutici e alimentari (l’epicatechina gallato è la più efficace) L’ossidazione delle LDL sembra essere un fenomeno aterogenetico (i radicali liberi dell’ossigeno - ROS - sono in grado di perossidare gli acidi grassi polinsaturi); inoltre i polifenoli inducono vasodilatazione “Paradosso francese” I polifenoli sono stati testati contro il melanoma, i tumori della prostata e del seno I flavonoidi potrebbero essere impiegati contro la resistenza multipla alla chemioterapia dovuta al trasporto attivo (vedi glicoproteina P) fuori dalla cellula dei farmaci Alcuni polifenoli sono antifungini Antibatterici polifenolici sono noti da oltre 30 anni Alcuni polifenoli sono attivi contro virus erpetici, influenzali, dell’immunodeficienza I polifenoli si possono legare a proteine, glicidi, vitamine e minerali

22 POLYPHENOLS AND AMYLOIDOSES Gli effetti neuroprotettivi dei polifenoli non sembrano dovuti al solo potere antiossidante I composti fenolici sembrano inibire in vitro la formazione di fibrille amiloidi (inibizione poco attiva, molto attiva, selettiva; della nascita di oligomeri, di oligomeri/fibrille, di fibrille) o destabilizzare le fibrille stesse

23 CONCLUSIONS I polifenoli sembrano dare tossicità a lungo termine solo quando rappresentano l’1-5% dell’alimentazione Composti molto attivi come inibitori dell’aggregazione amiloide sono l’acido tannico e l’acido rosmarinico fra gli acidi fenolici, e l’epigallocatechina gallato, la keracianina, l’hinokiflavone e il cumestrolo fra i flavonoidi La coesistenza di più di una struttura fenolica (con molteplici possibilità di legami a idrogeno) sembra essere un requisito indispensabile In particolare gli antociani, stabili a livello gastrico, dove sono in parte già assorbiti, e in grado di attraversare la barriera ematoencefalica, risultano assai promettenti A livello di estratti vegetali gli effetti antiamiloidogeci sembrano essere più pronti e amplificati Il molecular modeling potrà fornire un valido aiuto nell’allestimento di screening

24 SOME REFERENCES… Chiti F and Dobson CM, "Protein misfolding, functional amyloid, and human disease". Annu. Rev. Biochem. 75(75): Chiti F and Dobson CM, "Protein misfolding, functional amyloid, and human disease". Annu. Rev. Biochem. 75(75): Rivière C, Richard T, Vitrac X, Mérillon JM, Valls J and Monti JP, "New polyphenols active on beta-amyloid aggregation". Bioorg. Med. Chem. Lett. 18(2): Rivière C, Richard T, Vitrac X, Mérillon JM, Valls J and Monti JP, "New polyphenols active on beta-amyloid aggregation". Bioorg. Med. Chem. Lett. 18(2): Stefani M and Dobson CM, "Protein aggregation and aggregate toxicity: new insights into protein folding, misfolding diseases and biological evolution". J. Mol. Med. 81(11): Stefani M and Dobson CM, "Protein aggregation and aggregate toxicity: new insights into protein folding, misfolding diseases and biological evolution". J. Mol. Med. 81(11): Vendruscolo M and Dobson CM, "Towards complete descriptions of the free-energy landscapes of proteins". Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences 363(1827): ; discussion Vendruscolo M and Dobson CM, "Towards complete descriptions of the free-energy landscapes of proteins". Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences 363(1827): ; discussion 450-2

25 FROM THE NETWORK

26 MISCELLANEA Richler Mordecai - La versione di Barney - Adelphy A spasso con Daisy - di Bruce Beresford

27 YOUR FUTURE, OUR RESOURCE..

28 …e ad maiora!


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