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Emoglobina S-nitrosilata |
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Molecola del mese di maggio 2019 L'ossido nitrico NO si lega a due particolari cisteine dell'emoglobina e poi è rilasciato per controllare il flusso sanguigno  IntroduzioneIl sistema circolatorio si è perfezionato nel corso dell'evoluzione per trasportare ossigeno in modo veloce e sicuro. L'emoglobina (mdm 5-2003), per esempio, compie piccoli movimenti allosterici che le consentono, nei polmoni, di caricarsi con la massima quantità di ossigeno per poi scaricarlo quasi completamente nei vari distretti del corpo. Per fornire più ossigeno ai tessuti che ne hanno bisogno, i vasi sanguigni che li attraversano si dilatano in modo che arrivi più sangue. L'emoglobina stessa, coadiuvata dall'ossido nitrico NO, ha un ruolo centrale nel controllo del flusso sanguigno. Segnalare con NO L'ossido nitrico NO, sintetizzato dall'enzima ossido nitrico sintasi (mdm 1-2011), è una molecola di segnalazione che controlla, tra le varie cose, la dilatazione dei vasi sanguigni. Quando è attivato, si lega in modo reversibile ad alcuni amminoacidi di cisteina nell'emoglobina per creare un sistema di auto regolazione del flusso sanguigno che si realizza in due fasi. Prima l'ossido nitrico si lega allo zolfo di una particolare cisteina nelle due catene beta dell'emoglobina ossigenata (le catene beta sono mostrate qui sopra in verde chiaro e azzurro, mentre le catene alfa sono mostrate in blu e viola). Poi, quando il sangue scorre nei tessuti, l'emoglobina rilascia l'ossigeno che trasporta e cambia forma assumendo la conformazione deossigenata e provocando anche il rilascio dell'ossido nitrico NO dalle cisteine. Questo è un gas apolare che esce dai globuli rossi e induce i vasi sanguigni a dilatarsi aumentando il flusso di sangue nel tessuto. Nell'immagine qui sopra (file PDB 1buw) si vede l'emoglobina con due cisteine legate all'ossido nitrico NO (azoto blu, ossigeno rosso) al centro in alto nella figura. In questa struttura si vedono altre molecole di ossido nitrico legate al ferro dei quattro gruppi eme (verdi), ma questo è solo una conseguenza della preparazione del campione in laboratorio, in condizioni fisiologiche l'ossido nitrico NO si lega all'emoglobina solo sulle due cisteine delle due catene beta. Cisteina conservata L'emoglobina agisce non solo come trasportatore di ossigeno, ma anche come sensore di ossigeno rilasciando ossido nitrico nelle regioni dove l'ossigeno è più necessario. Questa funzione è così importante che la cisteina che trasporta ossido nitrico (Cys 93 nelle catene beta) è uno dei tre amminoacidi dell'emoglobina che sono conservati in tutti i mammiferi e negli uccelli, gli altri due sono le istidine che fissano l'eme. Anche la reazione con l'ossido nitrico è molto specifica. L'emoglobina, infatti, ha molte cisteine, ma l'ossido nitrico si lega solo alla cisteina 93 su entrambe le catene beta come si vede nell'immagine qui sopra (file PDB 1buw) nella quale l'ossido nitrico ( azoto blu, ossigeno rosso) è legato allo zolfo (giallo) delle due cisteine.  Trasferire
ossido nitricoMolte proteine sono governate dall'addizione di ossido nitrico ad alcune cisteine chiave. Questa reazione avviene in più passaggi che coinvolgono sia il trasferimento diretto di NO tra cisteine che l'intervento di specifici enzimi. L'enzima tioredossina mostrato qui a fianco (file PDB 2ifq) gioca un ruolo centrale nel processo di trasferimento di NO. L'ossido nitrico (sfere blu e rossa) si lega allo zolfo (giallo) di una particolare cisteina che poi agisce come donatore in reazioni di trasferimento di NO alla proteina bersaglio. Esplorando la struttura L'emoglobina S-nitrosilata del file PDB1buw è stata ottenuta trattando con NO gassoso cristalli di emoglobina già avvelenata con monossido di carbonio. Dato che questa ha una struttura simile all'emoglobina ossigenata, le molecole di emoglobina nel cristallo hanno subito solo lievi mutamenti quando si sono legate ad NO: si sono mossi solo i due amminoacidi alla fine della catena (il 145 e il 146) perchè si trovano vicino alla cisteina nitrosilata . Nella figura qui sotto a sinistra è mostrata l'emoglobina avvelenata con CO (file PDB 1hco). Si nota che la tirosina 145 (Tyr) si trova vicino alla cisteina 93 (Cys). Nella figura qui sotto a destra è mostrata l'emoglobina S-nitrosilata del file PDB1buw. La cisteina 93 legata all'ossido nitrico NO (indicata dalla sigla SNC) è diventata più ingombrante e quindi la tirosina 145 si è dovuta allontanare ed ha assunto una posizione non definita che non è stata registrata in questa struttura. 
Nelle due immagini qui sotto sono mostrati invece i gruppi eme delle due emoglobine viste sopra. Si noti il diverso angolo con il quale le due molecole gassose CO ed NO si legano al ferro sul piano dell'eme. Il monossido di carbonio CO a sinistra è legato in modo leggermente inclinato a causa del conflitto con l'anello dell'istidina superiore (distale), mentre il suo legame spontaneo sarebbe stato perfettamente diritto. Il monossido d'azoto NO sulla destra si lega obliquamente in modo spontaneo, come l'ossigeno O2, e non entra in conflitto con l'istidina distale. 
 Ricordiamo che la posizione dell'istidina distale ci difende in parte dall'avvelenamento da monossido di carbonio che altrimenti sarebbe letale anche in minime quantità. Spunti per ulteriori esplorazioni Anche la mioglobina in alcuni animali a sangue freddo è regolata dall'ossido nitrico. Esaminate il file PDB 2nrm per vedere la mioglobina S-nitrosilata del tonno (che è mostrata anche qui sotto). . . . . . . . . . . . .  Negli archivi PDB vi sono molte altre proteine S-nitrosilate. Consultate la lista nella pagina dei legandi SNC (S-nitroso-cisteina).  BibliografiaZhang, R., Hess, D.T., Qian, Z., Hausladen, A., Fonseca, F., Chaube, R., Reynolds, J.D., Stamler, J.S. (2015) Hemoglobin betaCys93 is essential for cardiovascular function and integrated response to hypoxia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E2846. Evangelista, A.M., Kohr, M.J., Murphy, E. (2013) S-Nitrosylation: specificity, occupancy, and interaction with other post-translational modifications. Antioxid. Redox Signal. 19, 1209-1219. Gould, N., Paschalis-Thomas, D., Tenopoulou, M., Raju, K., Ischiropoulos, H. (2013) Regulation of protein function and signaling by reversible cysteine S-nitrosylation. J. Biol. Chem. 288, 26473-26479. Weichsel, A., Brailey, J.L., Montfort, W.R. (2007) Buried S-nitrosocysteine revealed in crystal structures of human thioredoxin. Biochemistry 46: 1219-1227. Chan, N.L., Rogers, P.H., Arnone, A. (1998) Crystal structure of the S-nitroso form of liganded human hemoglobin. Biochemistry 37: 16459-16464. Baldwin, J.M. (1980) The structure of human carbonmonoxy hemoglobin at 2.7 A resolution. J.Mol.Biol. 136: 103-128.
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