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

Trombina


Molecola del Mese di Gennaio 2002

La Coagulazione del Sangue
L'ossigeno e le sostanze nutritive vengono trasportati dal sangue in ogni cellula del nostro corpo attraverso il sistema circolatorio. Usare un mezzo di trasporto liquido pone due tipi di problemi. Primo, lascia il corpo più vulnerabile alle infezioni, perchè i batteri e i virus possono diffondersi rapidamente ovunque attraverso il sangue. Il sistema immunitario, con gli anticorpi che costituiscono la prima linea di difesa, ha il compito di combattere questo pericolo. Secondo, c'è il rischio continuo di un danno all'apparato circolatorio. Dato che il sangue viene pompato in tutto il corpo sotto pressione, ogni piccola perdita può portare ad uno svuotamento rapido dell'intero sistema. Fortunatamente, il sangue possiede un metodo di riparazione d'emergenza: il sistema di coagulazione del sangue. Quando ci tagliamo o ci procuriamo una ferita, il sangue costruisce una barriera provvisoria per arginare il danno, per dare il tempo ai tessuti circostanti di eseguire una riparazione definitiva. La trombina è al centro di questo processo di coagulazione del sangue.

Un Sistema Molecolare a Piramide
La coagulazione del sangue inizia con molecole che sentono che c'è qualcosa di sbagliato. Per esempio, il fattore proteico di tessuto (mdm 3-2006) si trova sulla superficie di cellule che normalmente non sono in contatto col sangue. Se il tessuto si taglia, il sangue esce dai vasi e incontra il fattore di tessuto. Da qui parte un sistema di segnalazione a cascata , che comincia con poche molecole di fattore di tessuto e si amplifica con una logica a piramide fino a produrre una risposta così intensa da riparare il danno. Il fattore di tessuto attiva alcune molecole di Fattore VII. Queste attivano poi molte molecole di Fattore X. E infine queste attivano un numero ancora maggiore di molecole di trombina. La trombina poi, quando viene attivata, traduce il segnale in azione. Stacca un piccolo frammento dal fibrinogeno, una grande proteina, facendolo aggregare in strutture più grandi che costituiscono una grande rete fibrosa. Questa rete poi intrappola molte cellule del sangue, formando la crosta rosso scuro che chiude la ferita.

Digestione selettiva
La trombina è una serina proteasi: un enzima proteolitico che usa un amminoacido serina per realizzare il taglio delle catene proteiche. Altri esempi di serina proteasi sono la tripsina e la chimotripsina, enzimi secreti dal pancreas direttamente nel primo tratto dell'intestino, il duodeno, dove partecipano alla digestione delle proteine. Comunque, la trombina è un enzima più specifico rispetto agli enzimi proteolitici della digestione. È progettata per realizzare esclusivamente quel particolare taglio che attiva il fibrinogeno, senza digerire nessuna delle altre proteine del sangue.
Qui sopra è illustrata la trombina attivata (file PDB 1ppb), si può vedere il sito attivo sul fondo di una profonda fenditura. L'atomo di ossigeno dell'amminoacido serina è mostrato in rosso, i due atomi di azoto mostrati in blu appartengono all'istidina che aiuta la serina nella sua azione enzimatica. Anche un aspartato, alla sinistra dell'istidina ed un altro amminoacido nascosto sotto, collaborano alla reazione.

Nel Posto Giusto al Momento Giusto
Chiaramente la coagulazione del sangue deve essere attentamente regolata, altrimenti il sangue potrebbe coagulare nei posti sbagliati. Ogni errore nella coagulazione del sangue può avere effetti disastrosi: grumi di sangue nel cuore provocano l'infarto e grumi di sangue che giungono al cervello provocano l'ictus.
La trombina viene controllata in due modi. Per prima cosa, viene sintetizzata come protrombina cioè come forma inattiva che diventerà trombina attiva solo al momento opportuno. La protrombina ha una struttura complessa ed è composta di più subunità come si può vedere qui a fianco in basso (file PDB 1a0h sulla sinistra e 2pf2 sulla destra, i puntini indicano un terzo frammento mancante). La protrombina possiede quindi delle catene proteiche in più, colorate qui in azzurro, che vengono eliminate quando la proteina deve essere attivata. Gli atomi color magenta in basso a destra sono ioni calcio, sono legati ad amminoacidi glutammato modificati. La forte carica positiva di questi ioni blocca la proteina sulla superficie dei vasi sanguigni, così la protrombina non può muoversi. La trombina attiva viene quindi formata solo nelle immediate vicinanze del punto danneggiato e così i coaguli di sangue non possono formarsi altrove. In secondo luogo, la trombina attivata, che ha la struttura mostrata qui a fianco in alto (file PDB 1ppb), ha una vita molto breve, non più di qualche secondo, limitando anche in questo modo la formazione del coagulo alla sola area danneggiata.




Anticoagulanti
I coaguli di sangue non sempre sono desiderabili. Per esempio, molte persone prendono piccole dosi di aspirina, sotto controllo medico, per ridurre il pericolo di formazione di emboli e prevenire attacchi cardiaci. L'aspirina agisce sull'enzima cicloossigenasi che è importante in un altro aspetto della coagulazione del sangue che dipende dalle piastrine.
Il veleno per topi warfarin, oggi poco utilizzato, blocca la formazione di amminoacidi glutammato modificati che hanno il compito di legare gli ioni calcio, come abbiamo visto nella pagina precedente. I topi che hanno ingerito il veleno muoiono a causa della formazione incontrollata di emboli.
Le sanguisughe, naturalmente, non sopportano la coagulazione del sangue, perché interromperebbe il loro pasto. Per questo sintetizzano speciali proteine che bloccano la trombina, impedendo la formazione di coaguli. Una di queste proteine chiamata irudina è illustrata qui sopra sulla sinistra (file PDB 2hgt) mentre blocca il sito attivo della trombina. La proteina della sanguisuga è mostrata in blu. Sulla sinistra si può vedere la trombina inattivata dalla irudina, sulla destra la trombina col sito attivo libero.

Esplorando la Struttura
Il file PDB 1mkx è perfetto per esplorare la struttura della trombina. Contiene due molecole di proteina, una in forma inattiva (catena K) ed una attivata (catene H e L). La forma inattiva è mostrata sulla sinistra. Per attivare la proteina la catena deve essere tagliata tra il segmento giallo e quello rosso sul lato sinistro. Dopo il taglio i due tronconi si separano, la proteina si rilassa e assume la forma attiva, mostrata sulla destra. Notate come, nella forma attiva, l'amminoacido serina, protagonista della catalisi, con il suo atomo di ossigeno (in rosso), ruota e punta diritto fuori dal sito attivo, pronto per compiere la reazione di taglio del fibrinogeno.




Bibliografia

Milton T. Stubbs and Wolfram Bode (1993): A Player of Many Parts: the Spotlight Falls on Thrombin¹s Structure. Thrombosis Research 69, pp. 1-58

Earl W. Davie, Kazuo Fujikawa and Walter Kisiel (1991): The Coagulation Cascade: Initiation, Maintenance and Regulation. Biochemistry 30, pp. 10363- 10370.