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Molecola del Mese di Febbraio
2013
Un canale per l'urea consente al batterio Helicobacter pylori (che provoca
l'ulcera) di sopportare le condizioni acide dello stomaco
 Introduzione
L'acido cloridrico dello stomaco ci aiuta a digerire,
ma soprattutto uccide i batteri presenti nel cibo e quindi ci
protegge dalle infezioni. C'è però un batterio, Helicobacter
Pylori, che è capace di sopravvivere nell'ambiente acido
del nostro stomaco ed è la causa di una delle infezioni batteriche
più diffuse che colpisce circa metà della popolazione
mondiale. Questa infezione provoca la gastrite, un'infiammazione cronica
della mucosa gastrica, che può portare all'ulcera ed aumenta
il rischio di cancro allo stomaco.
Acidi e basi
Sorprendentemente, quando Helicobacter Pylori cresce
in coltura, non sopporta l'ambiente acido, a meno che non gli venga
data anche urea. Si è così capito che il batterio
usa l'urea, che si trova in piccole quantità nello stomaco, per
neutralizzare l'acido cloridrico che penetra nella sua cellula. Due
proteine lavorano insieme in questo processo.
La prima, mostrata qui a destra (file PDB 3ux4),
è un canale per l'urea controllato dai protoni che si
apre quando l'ambiente diventa acido e consente alle molecole di urea
di entrare nella cellula.
La seconda, descritta più sotto, è l'enzima ureasi
che, all'interno della cellula, rompe l'urea formando anidride carbonica
e ammoniaca che neutralizza l'acido cloridrico.
Aperto e chiuso
Il canale dell'urea controllato dai protoni si
apre a pH inferiori a 5,5 - 6,5. Il canale è composto da
sei subunità identiche, unite in una struttura esagonale, ognuna
con un suo canale al centro. La struttura cristallografica 3ux4
mostrata qui sopra, contiene anche un doppio stato ordinato di fosfolipidi,
evidenziati in verde, che chiudono il foro al centro dell'esagono.
Questi assicurano che gli unici passaggi attraverso la membrana siano
i sei canali al centro di ogni subunità, visibili in figura come
fori più scuri.
Uno di questi fosfolipidi è mostrato qui sotto. Il gruppo fosfato,
sulla sinistra, sporge all'esterno del foro centrale, mentre le code
idrocarburiche degli acidi grassi sono rivolte all'interno.
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Ureasi
Helicobacter Pylori sintetizza grandi quantità
di enzima ureasi, che costituise circa il 15% di tutte le sue proteine.
Questa ureasi è il grande complesso enzimatico mostrato qui a
fianco (file PDB 1e9y). E' formata da
due subunità diverse (blu e azzurra) ripetute dodici volte. In
ognuno dei dodici siti attivi del complesso sono presenti due atomi
di nichel per aiutare la reazione di idrolisi dell'urea.
Nella figura qui sotto si vede uno dei dodici siti attivi dell'enzima
nel quale una molecola simile all'urea, rappresentata con sfere colorate,
è vicina a due atomi di nichel (verdi) ed è circondata
da ben cinque istidine (anelli con due azoti blu). Un carbossile (che
potrebbe essere la CO2 che si libera dall'urea)
si trova legato all'azoto della lisina sulla destra.
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Esplorando la struttura
L'infezione da Helicobacter Pylori è difficile
da combattere e richiede un lungo trattamento con antiacidi e antibiotici.
I ricercatori stanno usando la struttura di queste due proteine per
progettare nuovi farmaci contro questo microrganismo. Il canale
dell'urea controllato dai protoni è un bersaglio ideale
per un farmaco perchè è una proteina prodotta solo da
questo batterio. Esaminando in dettaglio la struttura, i ricercatori
hanno cercato di scoprire perchè è così sensibile
agli acidi e come può far passare in modo selettivo solo
urea.
Nelle due immagini qui sotto si vede la proteina rappresentata con la
sola catena principale. A sinistra si vedono le sei subunità
disposte ad esagono. Nella figura di destra la proteina è mostrata
di fianco e si può apprezzare la profondità dei canali.
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Nella seconda coppia di immagini, qui sotto, si vedono, in magenta,
gli amminoacidi responsabili della selettività verso l'urea.
Si tratta di amminoacidi aromatici o alifatici e quindi apolari. Nella
figura di destra si vede che questi si trovano al centro di ogni canale.
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Nella terza coppia di immagini, qui sotto, si vedono, in rosso, gli
amminoacidi responsabili della apertura e chiusura dei canali in dipendenza
del pH. A pH basico (maggiore di 6,5) i canali si chiudono a causa dei
legami salini tra amminoacidi basici come lisina e istidina (con carica
positiva) e amminoacidi acidi come acido aspartico e glutammico (con
carica negativa). A pH acido (minore di 5,5) i canali si aprono perchè
l'istidina perde la carica positiva sotto pH 6, e gli acidi aspartico
e glutammico perdono la carica negativa sotto pH 4. Nell'immagine di
destra, vista di fianco, si nota che questi amminoacidi si trovano all'imboccatura
dei canali.
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Nella quarta coppia di immagini, qui sotto, si vede la proteina nel
suo insieme, completa di filtri per l'urea (magenta) al centro dei canali,
di amminoacidi sensibili al pH (rossi) che aprono e chiudono i canali,
e infine di lipidi (verdi) al centro della struttura ad esagono che
sigillano il foro centrale.
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Spunti per ulteriori esplorazioni
1) negli archivi PDB ci sono molte altre
proteine di Helicobacter Pylori inclusa una proteina sensibile agli
acidi (file PDB 3ub7)
2) negli archivi PDB ci sono molti trasportatori di urea tra i quali
ce n'è uno che assomiglia a quello che abbiamo nei nostri reni
 Bibliografia
D. Strugatsky, R. McNulty, K. Munson, C.-K.
Chen, S. M. Soltis, G. Sachs & H. Luecke (2012) Structure of the
proton-gated urea channel from the gastric pathogen Helicobacter pylori
Nature 493, 255-258.
G. Sachs, D. L. Weeks, K. Melchers & D. R. Scott (2003) The
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S. Suerbaum, P. Michetti (2002) Helicobacter pylori infection.
New England Journal of Medicine 347, 1175-1186.
D. L. Weeks, G. Sachs (2001) Sites of pH regulation of the urea
channel of Helicobacter pylori. Molecular Microbiology 40,
1249-1259.
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