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HGPRT: ipoxantina-guanina |
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Molecola del Mese di Luglio 2012 Le cellule degradano e riciclano le basi azotate dei filamenti di RNA e DNA che non servono più  Introduzione Le cellule devono riciclare i frammenti delle molecole che degradano, altrimenti dovrebbero procurarsi sempre nuove molecole ed energia per sintetizzare ex novo le molecole che hanno degradato. Per esempio, le cellule sintetizzano continuamente, nel nucleo, nuove catene di RNA messaggero che contengono le informazioni per la sintesi di nuove proteine. Subito dopo averle utilizzate, le cellule rompono le catene di RNA messaggero e ne riciclano i componenti usando un insieme di enzimi specializzati nel recupero molecolare. Recupero delle purine L'enzima ipoxantina-guanina fosforibosiltransferasi (HGPRT) è uno degli enzimi che riciclano i componenti di RNA e DNA. Questo enzima lega una base purinica, guanina o ipoxantina (una forma modificata di adenina) ad uno zucchero (ribosio monofostato) creando un nucleotide. Qui a lato è mostrato l'enzima HGPRT umano (file PDB 1hmp) composto di quattro subunità identiche, ognuna col suo sito attivo. Questa struttura contiene anche quattro nucleotidi di guanosina monofosfato (rossi) appena sintetizzati e pronti per essere rilasciati nella cellula.  Pericoli
delle purineCome in tutte le vie metaboliche, anche in questa possono nascere seri problemi se vengono bloccati alcuni passi del processo. Per esempio, ci sono persone che ereditano una rara versione non funzionante di HGPRT, che porta ad una grave malattia chiamata sindrome di Lesch-Nyhan che spesso è mortale in età puberale. Poiché l'enzima alterato è inattivo, si accumulano grandi quantità di basi puriniche che provocano problemi neurologici tra i quali una spinta compulsiva all'autolesionismo. In altri casi, persone con una forma di HGPRT solo parzialmente funzionante, hanno problemi di gotta perché le vie metaboliche per l'eliminazione delle purine in eccesso sono sovraccariche, così queste molecole si accumulano nelle articolazioni. Purine e parassiti L'enzima HGPRT è particolarmente importante per i parassiti che causano la malaria e altre malattie simili. Questi vivono all'interno delle cellule dell'ospite che hanno infettato, ma hanno perso la capacità di sintetizzare le basi puriniche e quindi le prendono dalla cellula infettata. Questo fatto li rende particolarmente sensibili ai farmaci che attaccano HGPRT. I ricercatori stanno usando strutture di HGPRT, come quella mostrata qui sopra di Plasmodium falciparum (file PDB 1cjb), per creare nuovi farmaci contro la malaria, capaci di attaccare solo la forma malarica ma non quella umana dell'enzima. Esplorando la struttura L'enzima HGPRT realizza la sua reazione in molti passaggi. Prima si lega a due molecole, una forma attivata dello zucchero (con un difosfato in posizione 1') ed una base purinica. Poi l'enzima unisce tra loro le due molecole formando un nucleotide e rilasciando il gruppo difosfato. Infine l'enzima rilascia il nucleotide nel passaggio più lento di tutto il processo. I ricercatori hanno catturato strutture dell'enzima mentre realizza ognuno di questi passaggi. Una grande ansa dell'enzima (azzurra) si apre e si chiude sul sito attivo durante la reazione. Le figure seguenti illustrano le varie fasi. Qui sotto si vede l'enzima vuoto (file PDB 1z7g). Notate che l'ansa flessibile (azzurra) è così flessibile che è diventata invisibile, cioè non è stato possibile registrarne la struttura. 
Qui sotto sulla sinistra si vede l'enzima con lo zucchero e la base purinica legati all'interno del sito attivo, ma prima che reagscano tra loro fondendosi insieme (file PDB 1d6n). Notate che queste due molecole sono tenute in sede anche dall'ansa flessibile (azzurra) che qui, dato che assume una posizione ben determinata, è visibile. Qui sotto a destra si vedono i due legandi in primo piano. Lo zucchero è ribosio-5'-monofosfato-1'-difosfato con il difosfato legato in basso rispetto all'anello (posizione chiamata alfa). La base azotata è simile alla guanina, ma per impedirle di reagire è stato usato un suo analogo senza l'azoto (blu) in basso a sinistra nella posizione evidenziata dall'asterisco. 
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Qui sotto sulla sinistra si vede l'enzima legato ad un analogo dello stato di transizione della reazione (file PDB 1bzy). L'ansa azzurra è ancora bloccata per tenere fermi i legandi nel sito attivo. Qui sotto a destra si vede il legando in primo piano, un analogo della guanosina-5'-monofosfato. Notate che, nella molecola, vi sono due atomi alterati (evidenziati da asterischi). Il ribosio ha un azoto (blu) al posto dell'ossigeno (rosso), e la guanina ha un carbonio (grigio) al posto del secondo azoto (blu) in basso sull'anello a cinque atomi. Osservate che la guanina si è legata sopra l'anello del ribosio (posizione beta), mentre il difosfato è uscito dalla posizione in basso nell'anello. 
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Infine qui sotto sulla sinistra si vede l'enzima legato al prodotto finale prima che venga rilasciato (file PDB 1hmp). Notate che l'ansa azzurra si è scostata dal sito attivo. Qui sotto a destra si vede il legando in primo piano. Questa volta non è stato modificato, ma è veramente guanosina-5'-monofosfato (GMP). Evidenziati da asterischi, si vedono l'ossigeno (rosso) nell'anello del ribosio, e i due azoti (blu) al posto giusto sull'anello a 5 atomi della guanina. Dato che il rilascio della molecola finale è il passaggio lento, è stato possibile cristallizzare l'enzima in questa situazione senza usare molecole alterate. 
. . .  Spunti per ulteriori esplorazioni Usate la funzione "Compare Structure" nella finestra "Tools" del sito PDB http://www.rcsb.org per sovrapporre e confrontare le strutture di HGPRT di cellule umane e malariche. Anche le immagini qui sopra sono state sovrapposte con questa funzione per mettere in evidenza il movimento del segmento azzurro. Negli archivi PDB si trovano complessi di HGPRT con molti potenziali farmaci antimalaria. Confrontate la struttura di questi farmaci con quella dei substrati e dei prodotti naturali dell'enzima.  BibliografiaR. J. Torres & J. G. Puig (2007) Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HPRT) deficiency: Lesch-Nyhan syndrome. Orphanet Journal of Rare Diseases 2, 48. D. Voet & J. G. Voet (2011) Biochemistry, 4th Edition. J. Wiley & Sons, Hoboken, NJ.
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