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Il caso dell’ossitocina: la visione poliedrica come presupposto affinchè la chimica diventi cultura

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PREMESSA

Il rischio di un riduzionismo chimico, quello per intenderci che riporta la sostanza stessa alla sua struttura molecolare, è per certi versi culturalmente rischioso almeno quanto la miopia involontaria del non-chimico, ad esempio di colui che descrive la sostanza in termini maroscopici, ad esempio come polverina bianca che può essere tenuta in un barattolo, dosata con un cucchiaio e pesata con una bilancia, ignari o indifferenti all’identità ed all’organizzazione reciproca degli atomi al suo interno.
Allo stesso modo un addetto commerciale ed uno alla logistica, acquistano e fanno transitare sulla superficie terrestre quattordici tonnellate di bario solfato con lo stesso spirito con il quale effettuano spostamenti virtuali di titoli economici.
attaccamento tra un uomo ed un cucciolo di caneEd infine lo studente di chimica, talvolta anche i più bravi che ho avuto modo di seguire di persona, rischiano troppo spesso di identificare una sostanza chimica con la sua formula, per quanto di struttura, o nel migliore dei casi con il modellino tridimensionale fatto di palline e bastoncini che qualche volenteroso insegnante potrebbe nel frattempo avergli mostrato. Quando viene detto loro: va bene, ora che hai completato tutti i calcoli stechiometrici, procedi pure a pesare questa sostanza, ti guardano con la stessa espressione che se avessi detto loro “raccogli il blu del cielo e scioglilo in una canzone”. Che cosa mai significa questa espressione? Che senso ha? Quale legame ci potrà mai essere tra i calcoli stechiometrici ed il pesare qualcosa su una bilancia?
All’opposto, la condizione di tangibilità per mezzo della quale i più piccoli – o i meno edotti – si rapportano alla conoscenza della realtà, e quindi al rapporto con essa, proprio ad iniziare dalla sua materia, fa sì che la trasformazione reattiva delle sostanze chimiche, o anche semplicemente la loro solubilizzazione in un solvente appropriato, sia portata all’interno di un contesto magico.

E’ per questo che guardo sempre con un certo sospetto – o per meglio dire con una perplessità in merito al loro effettivo contributo in direzione di una crescita culturale e della coscienza collettiva – ad una divulgazione scientifica basata sugli aneddoti, oppure sulle ultimissime notizie dal mondo della ricerca.
Capire è mettere in relazione sinergica le proprie conoscenze e le proprie competenze, riferite ad ambiti diversi, giungendo così ad un’integrazione della nuova notizia all’interno della propria cultura.
Stupire è quasi il contrario di tutto questo. Stupire è provocare la sospensione – quasi la paralisi – della propria capacità di integrazione del nuovo all’interno di una cultura che appare del tutto inadeguata all’occasione. Come in tutte le situazioni di disorientamento, possiamo provare timore oppure divertimento, oppure tutte e due le cose insieme. Di sicuro la cosa non ci può lasciare emotivamente indifferenti, ed è questa la ragione per la quale lo stupore, proprio ad iniziare dall’ambito della divulgazione scientifica, è uno strumento straordinario per stimolare l’interesse e l’attenzione del pubblico. Ma a meno che non siamo spensierati saltimbanchi, lo stupore resta un mezzo, e non il fine del nostro intervento.

Carnevale della ChimicaIl tema del XXI Carnevale della Chimica, ospitato per l’attuale mese di ottobre da Paolo Pascucci nel suo blog “Questione della Decisione” aveva per tema “La chimica dell’amore”.
Leggendo la descrizione offerta dallo stesso curatore si comprende tuttavia che non si parla tanto di innamoramento quanto di sesso, di fecondazione, gestazione, parto e così via: in pratica tutto cosa concerne la riproduzione sessuata, compresi i suoi presupposti e le sue conseguenze.
contrazioni uterina al termine della gravidanzaPer essere giusto poco meno che banale, penso che potrebbe essere l’occasione per approfondire una stranezza che mi aveva colpito fin dai tempi della scuola, almeno una ventina di anni fa: la duplice funzione dell’ossitocina, un ormone umano che nella donna promuove due effetti fisiologici almeno all’apparenza del tutto differenti fra loro, ma pure in qualche modo entrambe legati alla sfera riproduttiva: le contrazioni dell’utero durante il travaglio, e la lattazione.
Così decido di aprire la finestra del mio oracolo – quella di Google – e digito semplicemente “ossitocina”.
Dopo un’ora e mezza sono andato a letto, con un filo di mal di testa e la solida convinzione che non avrei mai potuto scrivere di questa molecola.
Per quanto abbia sempre prediletto gli argomenti trasversali, l’ossitocina era troppo per me: l’argomento era a tal punto sfaccettato, ricco, poliedrico, importante, determinante, difficile, inquietante, affascinante, insospettabile, che qualsiasi cosa avessi scritto avrei comunque commesso imperdonabili peccati di parzialità o di superficialità.
Solo dopo alcuni giorni che soppesavo la cosa giunsi infine ad una conclusione: avrei parlato non tanto dell’ossitocina in sé stessa, ma di come da chimico – curioso e con il pallino della divulgazione – mi è capitato di rapportarmi alla conoscenza di questa sostanza.
Un caso oserei dire emblematico di come la visione poliedrica della realtà sia ancora una volta – anche nella chimica- il presupposto essenziale affinchè la conoscenza diventi cultura.

 

ABBIAMO FINALMENTE TROVATO LA MOLECOLA CHE CI SALVERA’ DA NOI STESSI?

Dalla nascita (nel parto e nell’allattamento) all’infanzia (nell’identificazione e nell’affazionamento parentale), proseguendo con l’adolescenza (con la prime interazioni e recognizioni sociali, fino al riconoscimento delle espressioni facciali) fino all’età adulta, con la capacità di instaurare un’empatia nel rapporto di coppia, alla funzionalità sessuale per entrambe i sessi, fino alla modulazione del comportamento aggressivo/competitivo.
empatia tra amicheSulle funzioni (reali o presunte tali) dell’ossitocina, in campo fisiologico, psicologico, relazionale e sociale, tanto nella specie umana quanto negli altri mammiferi è stato scritto davvero tantissimo.   Insieme a pubblicazioni oggettive, che costituiscono altrettanti punti fermi, cardini della nostra autocoscienza, ve ne sono numerose altre che suggeriscono, ipotizzano, estrapolano sulla base di omologie con altri mammiferi (es. roditori) o in conseguenza di test eseguiti per il momento su un numero ancora troppo esiguo di volontari per potersi definire in tutto e per tutto attendibili, ma comunque sufficienti per attirare inequivocabilmente l’attenzione su questo orome…    “L’ossitocina: facilita la propogazione delle specie” recita questo grafico, nel mostrare il ruoli molteplici di questa molecola un po’ in tutte le nostre fasi biologiche:

spettro di azioni dell'ossitocina

Tra le numerossime pagine web, parecchie delle quali davvero ben curate ed attendibili, posso in particolare segnalarne due:  una “ovviamente” è la pagina di Wikipedia dedicata all’ossitocia, ed in particolare alle sue ben 89 qualificate referenze bibliografiche.
ruolo dell'ossitocina nell'allattamentoUn altro articolo di notevole estensione e dal carattere interdisciplinare è quello dal titolo “Oxitocin: the Great Facilitator of Life” (National Institute of Health, NCBI) dal quale ho tratto il grafico circolare di cui sopra.
E ancora, sempre secondo questa pubblicazione, un ulteriore resoconto delle ripercussioni di questo staordinario ormone sul comportamento all’interno ed all’esterno della sfera sociale umana:
Comportamento di tipo sociale: memoria sociale (riduzione attivazione dell’amigdala verso gli stioli sociali, incremento della memoria nei confronti delle facce degli altri individui), comportamento sessuale (eccitamento sessuale sia nelle donne che negli uomini, contrazioni uterine nel parto), attaccameno filiale (sia materno che paterno: per il momento dimostrato solo nei roditori), aggressività.
Comportamenti non di tipo sociale: apprendimento e memoria (riduzione della memoria non spaziale, come ad esempio quella episodica negli uomini e nelle donne ed il richiamo verbale di certe categorie di parole), ansia (riduzione del trattenimento degli stimoli da parte dell’amigdala, riduzione ansia da stress sociale), depressione (basse concentrazioni plasmatiche di ossitocina sono associate con la depressione maggiore).

espressioni del volto

E poi ancora, articoli su articoli, pubblicati da autorevoli riviste internazionali peer rewieved:

relazioni emozionali“Oxytocin Modulates Neural Circuitry for Social Cognition and Fear in Humans”
“Oxytocin Improves “Mind-Reading” in Humans”
“Oxytocin Increases Generosity in Humans”
“Intranasal Oxytocin Improves Emotion Recognition for Youth with Autism Spectrum Disorders”
“A relationship between oxytocin and anxiety of romantic attachment”

 

ED ORA…  PARLIAMO COME CHIMICI!

Dopo che questo incredibile mondo di proprietà e di interrelazioni mi si è dischiuso dinnanzi – e mi ha stupito, mi ha stupito non poco – ecco che già mi appresto a “richiuderlo”, indossando gli occhiali del chimico. Come una speciale lente tale da renderci capaci di guardare ed interpretare (ed entro certi margini anche di “prevedere”) il mondo, quello chimico costituisce uno dei punti di vista privilegiati per rapportarsi con il mondo in cui viviamo e del quale facciamo parte, ed iniziare dalla sua realtà materiale.

 
ghiandola pituitaria

Ecco, già con questo abbiamo dato un bel colpo d’accetta ad una dicotomia rimasta in sospeso da un po’ troppi secoli: l’empatia, l’affetto, l’attaccamento per gli altri individui della nostra specie, proprio ad iniziare dai rapportidi coppia e da quelli filiali, sono una questione di corpo o di anima? Pur senza voler togliere nulla all’anima – che sicuramente esiste, se non altro perché si è parlato di essa per millenni e nelle diverse culture – nel caso in oggetto non sembrerebbe esserci alcuna necessità impellente nel tirarla in ballo: le sensazioni ed i “sentimenti” soggettivi descritti possono essere riportati al funzionamento del nostro stesso corpo, ovvero alla materia, ovvero ancora alla chimica.Un ormone. Va bene, lo sapevo, ma di che tipo? Sempre dalle mie reminiscenze scolastiche – già dimostratesi imperfette solo pochi istanti fa – ricordavo che doveva trattarsi di un’ormone proteico, come d’altronde proteici sono tutti gli ormoni prodotti da quel groviglio di ghiandoline attaccate “sotto la pancia” del cervello. La zona che nel mio immaginario risulta la più profonda, inaccessibile e misteriosa dell’intero nostro organismo ed alla quale la mia memoria associa la posizione dell’ipofisi, dell’ipotalamo e della ghiandola pituitaria.
sito di produzione e di immissione nel circolo sanguigno dell'ossitocina e della vasopressinaOk, leggo e scopro che in fondo questa volta non mi sono sbagliato poi di molto: l’ossitocina è prodotta dall’ipotalamo e secreta dalla neuroipofisi viene escreta nel circolo sanguigno (come ogni ormone, da definizione) ma ad essa non è consentito “tornare indietro” per agire a sua volta sul cervello (ehm… encefalo, come ci correggono sempre i biologi) per la sua difficoltà nel superare la famosa barriera ematoencefalica  .Anche sulla natura proteica della molecola non mi ero sbagliato: si tratta in effetti di una catena di aminoacidi e per la precisione… solo 9? L’ossitocina è così piccolina, solo un nonapeptide? Un peso molecolare di soli 1007 Dalton? Accidenti, questo vuol dire molto! Innanzitutto dalla definizione: con soli 9 aminoacidi costituenti (ma anche se ne avesse fino a 15, massimo 20), il peptide in questione non può di diritto essere chiamato “una proteina”: sarebbe più corretto classificarla come oligopeptide.  Proteine vere e proprie, formate da uno o più polipeptidi associati tra loro, contano 90 aminoacidi come niente, attinti come sempre nel set dei 20 monomeri (tutti alfa-L-aminoacidi) dei quali ogni cellula dispone per sintetizzare le sue proteine.

descrizione dell'ossitocina secondo il Merck Index, 11° edizione

Torniamo a bomba sull’ossitocina.  Cosa significa che si tratta “solo” di un nonapeptide? Bè, in primo luogo che la molecola è “piccola”, anche dal punto di vista delle sue dimensioni e del suo ingombro spaziale (quello che i chimici definiscono “ingombro sterico”).  In secondo luogo un peptide così piccolo sarà probabilmente dotato di meno legami intramolecolari (fra aminoacidi non contigui della stessa catena), situazione questa che determina una maggiore flessibilità della molecola stessa, ovvero la possibilità per la stessa di passare continuamente da una conformazione spaziale ad un’altra, in soluzione acquosa. Immagino che una molecola del genere sia più difficile da denaturare di una di quelle grandi proteine, come ad esempio gli stessi enzimi, che in presenza di un eccesso di solvente apolare o di ioni ammonio si rivolta come un guanto e floccula sul fondo della provetta sotto forma di un sedimento tanto insolubile quanto inattivo.
struttura con volumi di Van der Waals - ossitocinaTrattandosi soltantanto di nove aminoacidi, forse posso anche trovare facilmente pubblicata, oltre che la loro tipologia, anche la loro sequenza, ed in effetti dopo un paio di semplici click eccola qui:
cisteina-tirosina-isoleucina-glutamina-asparagina-cisteina-prolina-leucina e glicina.   Provo ad attivare un software specifico per l’attribuzione della nomenclatura secondo le convenzioni IUPAC per questa struttura?
1-{[(4R,7S,10S,13S,16S,19R)-19-Amino-7-(2-amino-2-oxoethyl)-10-(3-amino-3-oxopropyl)-13-[(2S)-2-butanyl]-16-(4-hydroxybenzyl)-6,9,12,15,18-pentaoxo-1,2-dithia-5,8,11,14,17-pentaazacycloicosan-4-yl]car bonyl}-L-prolyl-L-leucylglycinamide.

formula di struttura dell'ossitocinaDove sta la testa e dove la coda di questa sequenza, ovvero il carbossile iniziale ed il gruppo aminico finale? Ci giro un po’ intorno e a tutta prima non riesco bene a capirlo, finchè giungo alla conclusione (per me inaspettata) che la glicina, l’aminoacido in assoluto più semplice, che in questo oligopeptide dovrebbe avere il gruppo carbossile –COOH libero, ed invece questo è parzialmente trasfromato in un gruppo amidico: -CONH2, ed è per questo che nella struttura semplificata al termine nella sequenza CYIQNCPLG è riprotato un –NH2. E’ la parte terminale del gruppo amidico.
Un ponte disolfuro tra i due gruppi mercaptano (-SH), ciascuno appartenenti ad una diversa unità dell’aminoacido solforato “cisteina” creno un legame intramolecolare – ovvero all’interno della stessa molecola – che aggiungendosi a quelli peptidici tra un aminoacido e l’altro, quelli che creano la catena del peptide. Un ponte disolfuro ( -S-S- ) tra due aminoacidi cisteina provoca un ripiegamento su sé stessa della struttura spaziale molecola e contribuisce a definire quella che si definisce “struttura primaria” di un peptide.

In realtà il chimico che ritiene che il suo campo di interesse si fermi a questo punto è probabilmente un chimico, diciamo… non molto in linea con i tempi che corrono.

ricostruzione computazionale via PC della posizione di una proteina transmembrana, rispetto al doppio strato fosfolipidico

ricostruzione computazionale via PC della posizione di una proteina transmembrana, rispetto al doppio strato fosfolipidico

Mentre un tempo, mi verrebbe da dire fino intorno agli anni ’70 del secolo scorso, il chimico si limitava ad identificare e a “dosare” (leggasi: svolgere un’analisi quantitativa) l’ormone nei fluidi biologici ed eventualmente nei preparati farmaceutici, oggi è schierato insieme a biologi, farmacologi ed agli stessi medici nell’affascinante e ormai neanche più così pionieristico mondo della biologia molecolare e della proteomica.  Oggi anche i meccanismo a livello cellulare, o meglio ancora “sub-cellulare” attraverso il quale un ormone o un neurotrasmettitore trasmette il segnale di cui è portatore, è oggetto di interesse del chimico, in quanto in termini chimici (composizione, struttura, reattività, ecc) possono essere descritti, oltre l’oromone medesimo, anche i recettori in grado di legarlo, la natura stessa del legame e le variazioni conformazionali causate nel recettore stesso da questo legame, fino all’insorgenza della risposta (ad es. del rilascio di un’ulteriore sostanza chimica) da parte del recettore stimolato.
Il cuore del funzionamento in fondo sta tutta nella definizione stessa di ormone: dal greco “io porto”. Non è l’ormone in sé stesso a compiere l’azione: il suo compito è quello di mediare il messaggio, solitamente a partire da un luogo di produzione controllata (la ghiandola a secrezione interna, o “endocrina”) alle cellue bersaglio (a loro volta generiche o appartenenti ad un determinato tessuto, o addirittura d un’altra ghiandola a secreazione interna) che a sua volta reagirà secondariamente producendo altre sostanze chimiche.      [parte mancante]
……….

funzionamento del ciclo di attività delle proteine G

funzionamento del ciclo di attività delle proteine G

Trattandosi di una molecola di piccole dimensioni, non è difficile immaginare come il recettore possa vantare una elevata specificità ed affinità per essa, concedendo spazi per “variazioni sul tema” della struttura del peptide nettamente minori rispetto a quanto accade nell’interazione recettiva di una grande proteina, della quale vengono recepite la natura e la posizone di solo alcune parti, collocate in punti particolari della grande struttura. Apprendo che il recettore per l’ossitocina è una proteina “G” accoppiata, che richiede per il suo funzionamento da recettore anche la disponibilità di colesterolo e di ioni magnesio.

funzionamento di un recettore trans membrana

funzionamento di un recettore trans membrana

In biochimica, un recettore è una proteina, transmembrana o intracellulare, che si lega con un fattore specifico, definito ligando, causando nel recettore una variazione conformazionale in seguito alla quale si ha l’insorgenza di una risposta cellulare o un effetto biologico.

 [parte mancante]

Fino a qui abbiamo parlato dell’ossitocina semplicemente menzionandola con il suo nome – in italiano o in inglese che sia – con la sua formula di struttura, proiettata sul piano oppure tridimensionale nello spazio, fino ad arrivare al modello con le sferette parzialmente fuse fra loro, noto come rappresentazione dei volumi di Van der Waals, che rappresenta il volume di spazio all’interno del quale vi è una ragionevole probabilità di ritrovare gli elettroni più periferici di ciascun atomo componente la molecola. Nel caso della spiegazione del meccanismo della trasduzione del segnale verso l’interno della cellula da parte del ricettore, ci eravamo addirittura accontentati di rappresentare l’ormone come “un blocchetto” avente una certa forma geometrica, al pari di una chiave appunto, capace di far scattare il meccanismo ormone-recettore; ma l’immagine che più di tutte mi è rimasta nella mente – non so a voi – è comunque quella che semplicemente descrive la sequenza degli aminoacidi componenti, con ben evidenziato il gruppo aminico terminale ed il ponte disolfuro che di fatto rende ciclica almeno una porzione della molecola.

ossitocina in polvere cristallina, rivenduta da una azienda cinese

ossitocina in polvere cristallina, rivenduta da una azienda cinese

Ovviamente quella che tanto il chimico analitico pesa quanto il medico somministra ad un paziente che la richieda, non è una formula chimica – non sono lettere e numeri – e neanche una struttura fatta da palline colorate, bensì una polvere bianca, all’apparenza del tutto simile a tutte le altre polveri bianche che rappresentano l’abito esteriore con il quale si mostrano, macroscopicamente ed alla nostra vista, e volendo al nostro tatto, la maggior parte delle sostanze chimiche, almeno quelle allo stato solido a temperatura ambiente. Diciamo che anche se non fossi riuscito a trovare una fotografia dell’ossitocina tal quale, quella pura e non in soluzione, non avrei avuto grossi dubbi nell’immaginarla appunto come una polvere bianca, proprio a partire dalla sua struttura molecolare. Per il fatto che si trattasse di un materiale allo stato solido, la considerazione deriva dall’incrocio fra l’alto peso molecolare e l’elevata polarità della molecola (dovuta a sua volta alla presenza di diversi atomi elettronegativi, come ossigeno, zolfo ed azoto aminico). Quasi per definizione un solido avente una precisa struttura molecolare, e per di più non a carattere macromolecolare, solidifica in forma cristallina: anche le grandi proteine riescono a farlo (è così che nel 1959 il chimico austriaco Max Perutz è riuscito a determinare la struttura dell’emoglobina), tanto più dovrebbe avere facilità nel cristallizzare un oligopeptide come l’ossitocina.
Sul fatto del colore infine… Potrei citare un paio di articoli comparsi su questo sito web credo più di un anno fa, che spiegano le relazioni fra il colore di una sostanza e la sua struttura molecolare: “la chimica a colori: dall’ossidazione delle molecole all’interazione luce-materia“.
In estrema sintesi, nel caso della struttura dell’ossitocina non vi è un accumulo sufficiente di doppi legami coniugati che possa giustificarne una colorazione “se non altro” giallina (il primo colore che emerge, allorché una sostanza inizia ad assorbire dallo spettro del visibile, vicino al limite dell’UV): la struttura più coniugata che si osserva è infatti lo stesso anello benzenico, di per sé stesso non sufficiente a giustificare un assorbimento nel campo del visibile ma al limite <250nm.
Di fatto, come per la maggior parte delle sostanze biologicamente attive utilizzate in dosaggi molto ridotti, tanto il farmacista quanto il medico o l’infermiere somministratore non hanno di fatto a che fare con la sostanza pura, quella il polvere bianca microcristallina, bensì con un “preparato”, che nel migliore dei casi consiste in una soluzione titolata della stessa sostanza (qui definita “principio attivo”), eventualmente in presenza di conservanti (una sostanza in soluzione è solitamente più attaccabile, tanto dai microrganismi quanto dall’ossidazione, di una allo stato puro), fino ad arrivare a formulati farmaceutici più complessi, come quelli in forma di sospensione solido/liquido, di crema, o addirittura di compresse.

ossitocina in soluzione acquosa iniettabile

ossitocina in soluzione acquosa iniettabile

In relazione polarità dei suoi gruppi funzionali (in primo luogo a quelli aminici liberi, ma anche a quelli amidici), alle dimensioni limitate della sua molecola ed alla limitata incidenza di legami intramolecolari accedenti a quelli che definiscono la stessa catena peptidica, ho stimato da subito una discreta solubilità in acqua dell’ossitocina. In effetti lo stesso Merk Index (11° edizione) quanto altre fonti più aggiornate mi hanno confermato questa ipotesi: l’ossitocina si scioglie in acqua fino alla concentrazione di 12 g/l, ovvero del 12% p/p. Non a caso le formulazioni commerciali, tanto quelle iniettabili (utilizzate come coadiuvante delle contrazioni uterine nel corso dei parti) quanto quelle recentemente proposte per l’aerodispersione nasale con la funzione di coadiuvanti nella socializzazione e nei rapporti di coppia, sono effettivamente soluzioni acquose. Il fatto che presenti una buona solubilità anche in 1-butanolo, seppur non di interesse medico, può rappresentare un’informazione di grande utilità per il chimico analitico che volesse provare ad approcciare una nuova metodica per la sua estrazione, purificazione ed analisi. Il logaritmo decimale del cofficiente di ripartizione ottanolo/acqua (logP) pari a -6.27 (seppur stimato con programmi di calcolo) ci indica che abbiamo a che fare con una sostanza chiaramente idrofila, che si scioglierà solo il modo trascurabile in un’eventuale matrice lipidica, ivi compresi i grassi corporei.

  Pesare una sostanza solida richiesta a bassissimi dosaggi, anche nel migliore retrobottega di una farmacia, qualora ne necessiti solo uno o alcuni flaconcini, richiederebbe strumentazione, perizia e perdita di tempo tali per cui questa operazione risulta nella maggior parte dei casi accantonata a favore dell’impiego di formulati commercializzati già tal quali ad una titolazione (ovvero concentrazione comprovata da un certificato di analisi a posteriori), al limite previa loro ulteriore diluizione fino alla concentrazione desiderata.
Come d’uso con gli enzimi e con le vitamine, anche nel caso degli ormoni i medici ed i farmacologi sono soliti ragionare non in termini di quantità ponderali (ad esempio µg) o di concentrazioni (es. µg/l o µM) bensì in termini di Unità Internazionali (UI). Ogni sostanza biologicamente attiva ha una conversione diversa tra UI e la corrispondente dose in peso: nel caso dell’ossitocina 1 UI corrisponde a 2 µg (2 milionesimi di grammo) dell’oligopeptide puro. Ammetto che fino a qualche anno fa, prima di avere a che fare con gli enzimi come agenti di trasformazione chimica anche in esperimenti in vitro, ero in effetti molto scettico circa l’utilità di queste unità internazionali, diverse da sostanza a sostanza, sempre da convertire in peso ogni volta che si richiedeva di fare un calcolo stechiometrico. Ma alla fine, rendendomi conto di come ben raramente queste sostanze, tanto gli enzimi quanto gli ormoni, venissero commercializzati in forma purissima (o almeno sufficientemente pura da poter essere usati tal quali, senza grosse correzioni, come le sostanze più semplici che, quando sono meno pure, sono titolate al 99% di concentrazione), ma spesso in presenza di altri enzimi della stessa famiglia (che hanno un’azione pressappoco simile), ma anche dello stesso enzima in forma magari denaturata e/o di altre sostanze estranee provenienti dalla stessa materia prima di partenza, mi trovavo di fronte a confezioni di “sostanza”, e non dico di preparato per uso medico, ma anche venduto come standard analitico, sul quale c’era scritto un diverso valore di UI per unità di peso, ad esempio 150 UI/mg piuttosto che solo 50 UI/mg.

forma fisica e prezzi di standard di ossitocina presso uno dei più importanti rivenditori di reagenti per il laboratori

forma fisica e prezzi di standard di ossitocina presso uno dei più importanti rivenditori di reagenti per il laboratori

Ho utilizzato questi due numeri non a caso, in quanto essi rappresentano le “attività” che caratterizzano due degli standard analitici di ossitocina commercializzati dalla ditta Sigma-Aldrich, uno dei principali rivenditori internazionali di reagenti chimici e standard per i laboratori di analisi e di ricerca. Salvo debba registrate speciali informazioni relative alla molecola pura (come ad esempio lo spettro NMR o quello di diffrazione ai raggi X, o ancora quello nel medio infrarosso), infatti anche per la messa a punto di un metodo di analisi chimica di laboratorio, oppure di un test di efficacia biologica in vitro, è di solito sufficiente operare con uno standard del quale sia titolata non la concentrazione, bensì l’attività della sostanza d’interesse in relazione alla reazione biochimica indicata. Incrociando i dati dichiarati da Fornitore (è sempre auspicabile una riconferma a carico proprio!) di attività per unità in peso della sostanza grezza, con il fattore di conversione UI per mg di sostanza pura riportati in letteratura scientifica per la stessa molecola, sarà quindi possibile stilare report che mettano in relazione una certa attività biologica (………) con una concentrazione chiara ed univoca del peptide puro, anche se si fatto nella sperimentazione abbiamo utilizzato quello grezzo.

separazione mediante HPLC e spettri di massa di ossitocina ed arg-vasopressinaEntro certi limiti questo vale anche per la messa a punto di metodi di analisi chimica come quelli in assoluto più diffusi, che prevedono una prima fase di separazione mediante cromatografia (nello specifico HPLC, ovvero in fase liquida ad alta pressione) ed una seconda di detezione analitica delle molecole così separate, con analizzatori (detectors) quali uno spettrofotometro UV-Vis o uno spettrometro di massa (MS).
Nella figura qui riportata si mostra la differenza nel tempo di ritenzione (ritardo temporale nell’uscita dalla colonna di separazione, data una certa metodica strumentale) tra due molecole spesso di interesse congiunto nel loro campo applicativo: l’ossitocina e la vasopressina. Oltre alle due sostanze pure, è anche riportato un cromatogramma (in colore nero) che mostra il campione reale, magari un estratto parzialmente purificato di un fluido biologico, dove sono presenti entrambi gli ormoni.   Infine sono riportati gli spettri MS ottenuti dalle due molecole precedentemente separate, mediante uno spettrometro di massa in linea con l’uscita della colonna HPLC: a parità di condizioni di separazione (es. tipologia di solventi, condizioni di eluizione, tecnica di ionizzazione nell’interfaccia HPLC-MS, ecc) lo spettro di massa, con la distribuzione quali e quantitativa dei suoi ioni (abbondanza rispetto a m/z) è altamente caratteristico della natura qualitativa della molecola separata, ed il picco del cromatogramma risulta direttamente proporzionale alla sua concentrazione all’interno del campione analizzato.

Vincent du Vigneaud

Vincent du Vigneaud

Ma avendo la fortuna, anche se qualcuno a questo punto direbbe il peso, di avere sempre a portata di mano la possibilità di guardare la realtà “dal punto di vista chimico”, non soltanto non mi sono limitato ad osservare gli effetti di questo straordinario ormone (siano essi a carattere comportamentale o, più in piccolo, su scala cellulare), ma anche gli aspetti legati alla sua analisi possono in qualche modo sembrare un po’ stretti. Non a caso il chimico che nel 1955 ricevette il Premio Nobel per aver per primo isolato (nel 1953) l’ossitocina, ed in vero anche la vasopressina, Vincent du Vigneaud, non si limitò ad un’analisi di queste molecole, fosse anche la loro descrizione composizionale di dettaglio, aminoacido dopo aminoacido.   Il grande chimico americano (1901-1978) riuscì infatti a confermare l’identità chimica dell’ossitocina sintetizzando lui stesso la sua molecola a partire dagli aminoacidi costituenti. Un’operazione non semplice non fosse altro che per una ragione di reattività organica: anche semplicemente volendo far reagire fra loro due diversi aminoacidi (es. A e B) al fine di ottenere un dipeptide, se procedessimo senza ulteriori precauzioni otterremmo probabilmente una miscela di A-A, B-B, A-B e B-A. Infatti ogni alfa-aminoacido è provvisto di due diversi gruppi funzionali, uno aminico primario –NH2 ed uno carbossilico –COOH che per disidratazione formano il legame dipeptidico che sta alla base della catena peptidica, la cosiddetta “struttura primaria” delle proteine, ma appunto senza ulteriori precauzioni non vi sono prefrenze sul fatto che un certo aminoacido reagisca utilizzando il suo gruppo aminico piuttosto che quello carbossilico, e neppure che lo faccia reagendo con un aminoacido differente o con uno del suo stesso tipo (ovviamente con il suo gruppo funzionale complementare)!

schema sintesi peptidi su fase solida, con protezione e deprotezione dei gruppi funzionali

schema sintesi peptidi su fase solida, con protezione e deprotezione dei gruppi funzionali

E’ qui che la sintesi organica mostra uno dei suoi aspetti più raffinati, in un gioco di previsione delle mosse avverse che ricorda in qualche modo quello degli scacchi (dove l’avversario è in questo caso semplicemente il caos, o meglio il “non desiderato”): quello della protezione e deprotezione dei gruppi funzionali. Non soltanto il gruppo aminico e quello carbossilico, ma spesso le stesse catene laterali dei singoli aminoacidi (almeno quelle funzionalizzate con –OH, -SH, ulteriori –NH2 e -COOH, ecc) son preventivamente protetti, lavorando sui singoli aminoacidi prima mi metterli insieme a formare il legame dipeptidico, “impegnando” (o proteggendo) di fatto i gruppi funzionali che non si vogliono far reagire nel corso di questo step tremite il legame con altre molecole. Un legame reversibile, in quanto nelle opportune condizioni, ovvero una volta stabilito il legame dipeptidico con la modalità univoca da noi prescelta, sarà possibile rimuovere da essi la protezione, ottenendo unicamente il dipeptide da noi desiderato.

Un tempo questa operazione comportava numerosi passaggi di protezione e deprotezione dei gruppi da non far reagire, da ripetere per ogni singolo amminoacido aggiunto nella catena: oggigiorno la disponibilità di apparecchiature automatizzabili e programmabili per la sintesi peptidica, che lavorano con il peptide “in crescita” chimicamente legato alla fase stazionaria di una resina, quindi in fase solida e con i reagenti (i vari aminoacidi puri, nonché i reagenti per la protezione/deprotezione dei gruppi funzionali) in soluzione nei vari flaconi sovrastanti l’apparecchio, ha notevolmente semplificato e velocizzato questo tipo i lavoro.  Il reattore utilizzato a questo scopo, posto alla base dell’apparecchiatura, non è più il classico pallone riscaldato, bensì un reattore a microonde perfettamente in fase fra loro.

apparecchio programmabile per sintesi automatica oligopetidi

Infine, tre domande che, mettendomi nei panni dei nostri lettori (ma anche nei miei stessi: suvvia, certe domande chi non se le pone di fronte ad una sostanza della quale si dichiarano tali meravigliose proprietà?): quali saranno gli effetti collaterali? Dove eventualmente acquistarla? Ed infine: quanto costerà mai l’ossitocina?
Anche se mi rendo conto che in quanto chimico dovrei scrupolosamente osannarne la funzione, setto fra noi credo che le schede di sicurezza – quelle che accompagnano per legge ogni prodotto chimico venduto e/o detenuto – siano probabilmente uno degli ultimi posti dove andare a cercare informazioni circa la pericolosità di una sostanza, in particolare di una sostanza commercializzata in piccole quantità. Un conto è se parlo del toluene, del perossido d’idrogeno o del tetraidrofurano, che sono comprati e venduti in tutto il mondo a tonnellate e molte fabbriche se ne riempiono i serbatoi per le loro lavorazioni industriali. Qui stiamo parlando di una sostanza la cui Unità Internazionale vale 2 µg di principio attivo, commercializzata come standard analitico in confezioni da meno di 1 grammo (e tra l’altro come sostanza grezza) ed i cui produttori “industriali” immagino non ragionino sicuramente nell’ordine delle tonnellate.
scheda di sicurezzaMa tant’è: il sistema delle schede di sicurezza, per quanto rivisto alla luce del nuovo regolamento Reach e CLP, non fa una grande distinzione fra l’impiego di micro-confezioni nell’ambito di un laboratorio di analisi o di ricerca e l’arrivo di un camion a rimorchio in una industria che lo utilizzerà come principio attivo per un farmaco da rivendere in tutto il mondo. Un’altra criticità delle schede di sicurezza è che essere riportano solo dati certi e a un tale livello di comprovatezza che… anche una sostanza molto studiata ed oggi piuttosto ben conosciuta – almeno sotto i profilo tossicologico – come l’ossitocina, sembrerebbe a prima vista sostanzialmente innocua, o forse a ben vedere piuttosto sconosciuta. La scheda di sicurezza dell’ossitocina, consultabile al precedente link, riporta in effetti, a parte le frasi di rischio ed i consigli di prudenza più generici, solo la seguente indicazione un po’ più specifica in funzione del reale meccanismo di azione di questa sostanza: riduzione della pressione sanguigna.
Sarà che sono anch’io frutto di quella morale un po’ pessimista di derivazione cattolica in funzione della quale non c’è piacere senza pena, né medicina senza effetti collaterali, fino ad arrivare al caso più eclatante delle sostanze stupefacenti. Anche se non manifesta una tossicità acuta (espressa come la tradizionale DL50) o un chiaro effetto mutageno/teratogeno/cancerogeno, ritengo più che plausibile il fatto che un eccesso incontrollato di un ormone con tali e tante implicazioni, non soltanto a livello di comportamento sociale dell’individuo, ma a livello biologico-molecolare, non possa sortire le stesse conseguenze di una doccia tiepida.
fattore osssitorcinaIl problema non è la reperibilità, tanto meno il costo. Gli standard analitici, riservati agli addetti ai lavori per studi nell’ambito dell’analisi e della ricerca, si attesta sui 127.50 €/1000UI , ma come anticipavo questa soluzione di acquisto non prevede l’impiego terapeutico della sostanza, tanto meno se privo del controllo medico.  Ma come potete ben vedere dalla semplice ricerca in un motore di ricerca della parola “ossitocina”, o del suo equivalente in inglese “oxytocin”, specie se ricercate le immagini associate, esistono preparati in soluzione in libera vendita, acquistabili senza alcun impedimento sul web, già alla concentrazione e nel dispositivo adatti per la loro somministrazione come puf nasale, al pari del più noto Vics spray per il raffreddore. Rafforzamento delle relazioni di coppia ed empatia sono assicurate dal venditore per chiunque faccia uso di questo prodotto.  La garanzia scientifica? Quello studio che ne dimostra l’efficacia sulle persone affette da autismo.

ossitocina in soluzione sprayIl problema dell’informazione – e subito dopo del commercio – su scala globale mediante internet è quello che ad ogni mezza verità (ad esempio le evidenze di una primissima sperimentazione) corrisponde una notizia intera, e ad ogni notizia corrisponde una eco esponenziale, ed in coda a questa eco – giusto il tempo di produrli e di metterli in commercio – una pletora di prodotti venduti con la promessa, scritta in caratteri sgargianti e cubitali (odiatissimi dai ricercatori che hanno iniziato gli studi) di essere rimedi tanto efficaci quanto sicuri. Una logica commerciale e mediatica che a lungo andare nuoce sia al consumatore finale quanto allo stesso prodotto. E’ successo in molti altri casi: aspettiamo solo qualche anno. Capita infatti fin troppo spesso che il solito sprovveduto di turno, colpito dalla potenza del messaggio e dall’incrollabile verità che se con 1 dose sto meglio, con 2 starò da dio, finisca al pronto soccorso con una bella intossicazione per aver assunto una dose eccessiva (o in combinazione proibita con altri farmaci) di un prodotto in libera vendita. Da qui scattano le indagini, una bella inchiesta della Procura, qualche doveroso blitz da parte dei NAS ed infine il prodotto viene tolto dal commercio.
Nascita, crescita irresponsabile e morte colposa di un ottimo rimedio mal pubblicizzato.

 

 

2 risposte a Il caso dell’ossitocina: la visione poliedrica come presupposto affinchè la chimica diventi cultura

  • ilva scrive:

    Ne ho sentito parlare… Chiedo: centra l’ossitocina con il fastidioso disturbo di incontinenza urinaria?

  • Roboi scrive:

    Sono un recente iscritto alla newsletter. Sono un informatore del farmaco e trovo interessante come un ormone polipeptidico possa svolgere tali funzioni così diverse: dalla stimolazione delle fibrocellule muscolari di utero e mammella, alla modulazione (certa?) di comportamenti sociali complessi. Le mie scarse conoscenze mi porterebbero ad attribuire una cosi variegata attività più ad un ormone steroideo che tramite il legame col recettore attiva intere sequenze di D.N.A. piuttosto che ad una struttura polare di amminoacidi. Mi viene anche da pensare che sia un ormone molto antico, riutilizzato, come sempre accade nel corso dei processi evolutivi, per nuove funzioni a partire da quelle originarie, magari nei platelminti è già presente. Saluti.

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