Molecola del Mese di Febbraio 2001
 Un
Messaggero Molecolare
Le nostre cellule comunicano usando una specie di
sistema postale molecolare: il sangue è il servizio postale e gli
ormoni sono le lettere. L'insulina è uno degli ormoni più
importanti, porta messaggi che descrivono la quantità di zucchero
disponibile di momento in momento nel sangue. L'insulina è sintetizzata
nelle cellule endocrine del pancreas e viene aggiunta al sangue dopo i
pasti quando i livelli di zucchero aumentano. Questo segnale si diffonde
in tutto il corpo: ai muscoli , al fegato e alle cellule adipose. L'insulina
dice a questi organi di prendere il glucosio dal sangue per utilizzarlo
nella produzione di energia, per immagazzinarlo sotto forma di glicogeno
o di grasso.
Avvolgere Proteine Piccole
L'insulina è una piccola proteina e questo
la rende un messaggero ancora più efficiente, infatti, essendo
piccola, si può muovere rapidamente attraverso il sangue e si
può legare facilmente ai recettori sulla superficie delle cellule.
Le proteine piccole però pongono un problema alla cellula: è
difficile farle avvolgere su se stesse nel modo corretto perchè
la loro struttura non è abbastanza stabile. La cellula risolve
questo problema sintetizzando una catena proteica più lunga che
può avvolgersi fino ad assumere la struttura corretta. Il pezzo
addizionale viene poi tagliato via, lasciando due piccole catene avvolte
nel modo voluto. Queste due catene sono evidenziate in blu e verde nella
figura qui a destra in basso. Le figure qui a destra rappresentano l'insulina
di maiale (codice PDB 4ins). La struttura
è ulteriormente stabilizzata da tre ponti disolfuro, uno dei
quali è visibile in giallo in tutte e due le figure.
Diabete Mellito
Quando la funzione dell'insulina è compromessa,
o da un danno al pancreas o dall'invecchiamento, i livelli di glucosio
nel sangue salgono pericolosamente, conducendo al diabete mellito. Per
le persone totalmente prive di insulina, come i bambini che sviluppano
il diabete nei primi anni di vita spesso a causa di una autoimmunità,
questo può essere davvero pericoloso. Alti livelli di glucosio
portano alla disidratazione, perchè il corpo tenta di eliminare
lo zucchero in eccesso con l'urina, e a pericolose variazioni del pH
del sangue, perchè il corpo utilizza i grassi per produrre energia.
Il diabete mellito ha anche gravi effetti a lungo termine. È
una delle più diffuse malattie croniche del mondo industrializzato.
Bassi livelli di insulina, come quelli che si possono generare con l'invecchiamento,
favoriscono alti livelli di zucchero nel sangue per lunghi periodi di
tempo. Quindi le molecole di zucchero si legano alle proteine in tutto
il corpo, compromettendo la loro funzione e si formano nuovi zuccheri
derivati del glucosio che ostacolano la funzione cellulare.
 Terapia
con l'Insulina
Il diabete mellito può essere trattato rimpiazzando
manualmente l'insulina mancante nel sangue. Naturalmente, serve una
fonte abbondante di insulina da utilizzare per questa terapia. Per fortuna,
l'insulina di maiale (illustrata qui a fianco a sinistra, codice PDB
4ins) differisce dall'insulina umana (qui
a fianco a destra, codice PDB 2hiu) per
un solo amminoacido: una treonina alla fine della catena dell'insulina
umana è sostituita da alanina nell'insulina di maiale. Anche
l'insulina bovina è molto simile, dato che differisce in tre
sole posizioni. A causa della loro forte somiglianza con la nostra,
l'insulina di maiale e quella bovina vengono riconosciute dalle nostre
cellule e possono essere usate nella terapia. Oggi, l'insulina umana
viene sintetizzata anche con le biotecnologie, usando batteri geneticamente
modificati per produrre un'insulina esattamente identica alla nostra.
 Esplorando
la Struttura
L'insulina è una molecola perfetta per esplorare
la struttura delle proteine. È abbastanza piccola che possiamo
rappresentarne tutti gli atomi ed avere ancora un'immagine non confusa.
L'insulina umana illustrata qui a destra (codice PDB 1trz)
contiene quattro catene, identificate dalle lettere A, B, C, e D. Se
esaminamo con CHIME direttamente il file originale cliccando sul codice
PDB 1trz, possiamo visualizzare solo le
catene A e B che insieme costituiscono un singolo monomero di insulina.
(Select - Chain - C e poi Select - Hide - Hide Selected
E ancora:
Select - Chain - D e poi Select - Hide - Hide Selected).
In questa struttura si possono vedere molte delle caratteristiche chiave
che stabilizzano la struttura di una proteina. Si noti il gruppo di
amminoacidi apolari, come leucina ed isoleucina che si raggruppano nel
cuore dell'insulina formando un centro idrofobico. Si noti che la superficie
della proteina è invece coperta di amminoacidi carichi come lisina,
arginina e glutammato. Questi amminoacidi interagiscono favorevolmente
con l'acqua circostante. Si notino infine i tre ponti disolfuro tra
amminoacidi di cisteina che stabilizzano questa piccola proteina.
Questa figura è stata creata con RasMol (Chime). Anche voi potete
creare immagini simili cliccando sui codici di accesso qui sopra e scegliendo
una delle opzioni nel menù "View Structure".
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