Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Pepsina


Molecola del Mese di Dicembre 2000

Pranzi e Cenoni
Durante le feste di Natale, spesso mettiamo a dura prova i nostri enzimi digestivi più che in qualsiasi altro periodo dell'anno. Il nostro sistema digestivo possiede un insieme di enzimi stabili e robusti costruiti per affrontare quei ricchi pranzi e farli in mille pezzi. La pepsina è il primo di una serie di enzimi che digeriscono le proteine. Nello stomaco, le catene proteiche vengono legate nella profonda fenditura che costituisce il sito attivo della pepsina, mostrato nella figura qui a destra in alto (codice PDB 5pep), e vengono spezzate in frammenti più piccoli. Poi, un insieme di proteasi e peptidasi finisce il lavoro di idrolisi nell'intestino. I frammenti prodotti, amminoacidi e dipeptidi, vengono poi assorbiti dalle cellule che li usano per la sintesi di nuove proteine o come combustibile per il loro metabolismo.

Un Lavoro Pericoloso
Gli enzimi che digeriscono le proteine pongono un problema concreto. L'enzima viene sintetizzato all'interno di una cellula, ma deve essere controllato in qualche modo perchè non cominci subito a digerire le proteine della stessa cellula che l'ha prodotto. Per risolvere questo problema, la pepsina e molti altri enzimi proteolitici, sono creati come "proenzimi" inattivi, che possono essere attivati in seguito, quando sono al sicuro fuori della cellula. Quando la pepsina viene costruita, la sua catena proteica viene allungata con una coda aggiuntiva di 44 amminoacidi, mostrata in verde nella figura qui a fianco (codice PDB 3psg). Questa ostruisce la grande fenditura che fa da sito attivo e blocca l'attività dell'enzima. Nello stomaco, la coda aggiuntiva viene tagliata e l'enzima comincia il suo lavoro di distruzione.

Un Pezzo di Storia Scientifica
Per molte ragioni gli enzimi digestivi sono degli ottimi candidati per la ricerca scientifica. Possono essere isolati facilmente e sono presenti in grande quantità nei succhi digestivi. Sono anche straordinariamente stabili perchè sono adatti a lavorare nelle dure condizioni presenti nel sistema digestivo. Le reazioni catalizzate dagli enzimi digestivi possono essere seguite con facilità: li si può aggiungere a una proteina come la gelatina e osservare come questa perde la sua consistenza di gel. Nel XVIII secolo, la pepsina è stata il primo enzima ad essere scoperto, ed è stato il secondo enzima ad essere cristallizzato (dopo la ureasi). Questi cristalli hanno avuto un ruolo importante nel dimostrare che gli enzimi erano proteine e che avevano una struttura definita. Oggi, la struttura della pepsina, determinata a partire da cristalli simili, è disponibile con codice PDB 5pep e con molti altri.


Proteasi Acide
La pepsina è un tipico rappresentante di un gruppo di enzimi chiamati "proteasi acide". Nel caso della pepsina questo nome è doppiamente appropriato. La pepsina lavora al meglio in ambiente molto acido per acido cloridrico. Ma la somiglianza con gli altri enzimi mostrati qui sopra si riferisce ad un altro tipo di acido. Il sito attivo delle proteasi acide contiene due residui di acido aspartico, che attivano una molecola d'acqua e la usano per tagliare le catene proteiche. Questi acidi aspartici sono mostrati nella pagina seguente.
Le proteasi acide si sono evolute per svolgere molte funzioni in organismi diversi.
La pepsina, mostrata in alto a destra (codice PDB 5pep), è ottimizzata per la digestione del cibo nell'ambiente acido dello stomaco. E' un enzima molto disordinato, che rompe le proteine in molti punti diversi.
La chimosina, mostrata in alto a destra (codice PDB 4cms), viene sintetizzata dai vittelli giovani per rompere le proteine del latte. Una forma purificata di chimosina, presa dallo stomaco di vittello, è stata usata per secoli per far cagliare il latte nella produzione del formaggio.
La catepsina D, mostrata in basso a sinistra (codice PDB 1lyb), digerisce le proteine all'interno dei lisosomi, una sorta di piccoli stomachi interni alla cellula.
Altre proteasi acide cellulari, come la renina (non mostrata qui, codice PDB 1hrn), sono progettate per fare un taglio apecifico in una particolare proteina, favorendo la maturazione di un ormone o di una proteina strutturale.
La endotiapepsina, mostrata in basso a destra (codice PDB 4ape), è prodotta da un fungo e viene secreta nell'ambiente circostante dove rompe le proteine, permettendo al fungo di nutrirsi con i frammenti.


Esplorando la Struttura
La pepsina usa una coppia di residui di acido aspartico per eseguire la reazione di taglio delle proteine. In un esempio di evoluzione parallela (dove due organismi hanno sviluppato in modo indipendente lo stesso metodo per risolvere un problema), il meccanismo è simile a quello utilizzato dall'HIV-1 proteasi, discussa nella Molecola del Mese del luglio 2000. Nella figura in alto (codice PDB 5pep) i residui di acido aspartico nel sito attivo sono mostrati come sfere colorate bianche e rosse nel centro della profonda fenditura che costituisce il sito attivo. Nella figura in basso si possono vedere anche tre ponti disolfuro. Questi legami incrociati, formati tra gli atomi di zolfo (gialli) di residui di cisteina, rinforzano la catena proteica.

Queste figure sono state create con Chime. Potete creare immagini simili cliccando sui codici PDB qui sopra e scegliendo un'opzione nel menù "View Structure".
Per evidenziare gli acidi aspartici nel sito attivo, selezionate i residui numero 32 e 215 della struttura.