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Molecola del Mese di Giugno 2011
I batteri aderiscono ai denti costruendo un biofilm di catene appiccicose
di zuccheri difficili da rimuovere
 Introduzione
Anche se ci laviamo i denti due volte al giorno con
un dentifricio al fluoro, usiamo il colluttorio ed evitiamo i dolci, continuiamo
ad avere problemi di carie ai denti. La carie è causata
da batteri che si nutrono degli zuccheri che mangiamo, li fermentano e
producono acidi. Questi acidi erodono i sali minerali che costituiscono
lo smalto e le strutture più interne dei nostri denti. Con una
normale igiene orale, dovrebbe essere facile spazzare via i batteri ed
eliminarli definitivamente, in realtà la battaglia è molto
più complessa perchè i batteri hanno messo a punto delle
strategie per resistere.
Zuccheri appiccicosi
I batteri che provocano la carie usano un enzima,
la glucanosaccarasi, mostrata qui a destra (file PDB 3aic),
per costruire catene lunghe e appiccicose di zuccheri chiamati glucani
usando come materiale di partenza gli stessi zuccheri che introduciamo
con il cibo. Questi glucani incollano i batteri alla superficie dei
denti formando un biofilm che è difficile da rimuovere.
I ricercatori stanno studiando la struttura di questo enzima per creare
degli inibitori che ne blocchino l'azione e rendere più vulnerabili
i batteri. Sperano così di sconfiggere il problema della carie
dentaria che affligge milioni di persone nel mondo.
Glucani in crescita
La glucanosaccarasi catalizza due reazioni.
Nella prima l'enzima cattura il saccarosio, un disaccaride, e
lo taglia a metà separando glucosio e fruttosio, i due zuccheri
che lo compongono.
Nella seconda, dopo aver rilasciato il fruttosio, l'enzima lega
il glucosio alla catena di glucano in crescita.
La glucanosaccarasi è una grande proteina con molti domini. Queste
reazioni vengono compiute nella parte centrale dell'enzima che è
quella riportata qui. L'enzima però possiede anche altri domini
che servono ad ancorarlo ad altre catene di glucano.
Identico, ma diverso
Quando la sequenza di amminoacidi della glucanosaccarasi
è stata confrontata con quella di altri enzimi noti che tagliano
gli zuccheri, si è scoperto che è molto simile alla alfa-amilasi
(mdm 2-2006), ma la sequenza è permutata. Le porzioni
all'inizio e alla fine della glucanosaccarasi si trovano, infatti, nel
mezzo della catena della alfa-amilasi. Quando la struttura della glucanosaccarasi
è stata risolta, si è visto chei due enzimi hanno un avvolgimento
della catena molto simile, come accade sempre nelle proteine con permutazione
circolare (mdm 4-2010). Si può verificare questo fatto
confrontando le due strutture mostrate qui sotto: sulla sinistra
è illustrata la glucanosaccarasi di Streptococcus mutans
(file PDB 3aie), mentre sulla destra
è mostrata la alfa-amilasi umana, dal file PDB 1smd.
Nella figura le catene sono evidenziate con colori che vanno dal rosso,
dove inizia la catena (estremità COOH), fino al blu, all'estremità
opposta (estremità NH2).
Esplorando la struttura
Finora sono state risolte le strutture di due glucanosaccarasi
di due batteri diversi, Streptococcus mutans (file PDB 3aie,
mostrata qui sopra a sinistra), e Lactobacillus reuteri (file
PDB 3hz3, mostrata qui sotto). L'enzima
di Lactobacillus è stato studiato in molti modi. Per esempio,
è stata usata una forma mutata dell'enzima per rivelare la struttura
del suo legame con il saccarosio. La mutazione inceppa l'enzima e gli
impedisce di realizzare la reazione di scissione del saccarosio.
Nella figura qui sotto si vede il saccarosio legato nel sito
attivo dell'enzima mutato. Si nota l'anello grigio a pentagono del
fruttosio e quello beige ad esagono del glucosio legati tra loro e si
notano anche due amminoacidi del sito attivo dell'enzima coinvolti nella
reazione di scissione, l'acido glutammico 1063 (rosa) e l'asparagina
1025 (gialla), responsabile dell'attacco nucleofilo al saccarosio.
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Qui sotto sono mostrati, visti dall'alto, il saccarosio (glucosio rosa
e fruttosio giallo) e i due amminoacidi del sito attivo coinvolti nella
reazione di idrolisi.
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Qui sotto è mostrata una struttura dello stesso enzima che lega
due molecole di maltosio (file PDB 3kll)
che permette di individuare la posizione dove viene legata la grossa
catena di glucano. Si nota che le due molecole di maltosio, ognuna
costituita da due anelli di glucosio (rosa), occupano una posizione
laterale nel sito attivo, distinta da quella occupata dal saccarosio
nella figura precedente.
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Nell'immagine animata seguente, si alternano due immagini.
La prima mostra il saccarosio intero prima della espulsione
del fruttosio giallo
La seconda è un'immagine composita ottenuta sovrapponendo
le due strutture precedenti, che ci fa capire come si presenta l'enzima
nel mezzo della reazione, quando il fruttosio è stato eliminato
dal saccarosio, lasciando una molecola di glucosio (anello rosa
a sinistra) pronta per essere incorporata nella catena di glucano
(rappresentato dalla due molecole di maltosio più a destra).
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Spunti per ulteriori esplorazioni
1. Esaminando i complessi della glucanosaccarasi
con zuccheri, troverete che ci sono altri siti oltre al sito attivo
che legano altre molecole di zucchero. Pensate che questi abbiano un
ruolo nel funzionamento dell'enzima oppure si tratta solo di artefatti
sperimentali?
2. Provate ad usare la funzione "Compare Structures" nel sito
PDB per esplorare la permutazione circolare della glucanosaccarasi e
della alfa-amilasi
 Bibliografia
K. Ito, S. Ito, T. Shimamura, S. Weyand,
Y. Kawarasaki, T. Misaka, K. Abe, T. Kobayashi, A. D. Cameron and S.
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