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

Proteine leganti la Penicillina


Molecola del Mese di Maggio 2002

Introduzione
I batteri costituiscono una minaccia continua di infezione non solo per l'uomo, ma per tutti gli organismi superiori. Quindi, se vogliamo scoprire nuove armi per combatterli, può essere utile vedere come si proteggono dalle infezioni le piante, i funghi e gli altri animali. E' stato proprio questo approccio che ha permesso di scoprire il primo antibiotico, la penicillina. Dopo lunghe osservazioni, nel 1928 Alexander Fleming ha scoperto che alcune colonie di muffa Penicillum, cresciute per caso in una coltura batterica, erano in grado di arrestare l'infezione. Dopo ulteriori studi, ha scoperto che la muffa produceva in grandi quantità una sostanza che uccideva i batteri. Questa è stata isolata ed è stata chiamata penicillina.

Arma magica
La penicillina è una molecola che contiene un insolito e molto reattivo anello lattamico a quattro atomi, per questo è chiamata antibiotico beta-lattamico. Si è dimostrata un farmaco molto efficace che provoca pochi effetti collaterali (a parte reazioni allergiche in alcune persone sensibili). Questo dipende dal fatto che la penicillina attacca un processo che esiste solo nei batteri, mentre è assente negli organismi superiori. Un altro vantaggio della penicillina è che attacca enzimi che si trovano fuori della membrana citoplasmatica dei batteri e quindi può agire su questi enzimi direttamente.

Far Scoppiare i batteri
Se trattati con bassi livelli di penicillina i batteri cambiano forma e crescono in lunghi filamenti. Quando il dosaggio cresce, la superficie della cellula batterica perde la sua integrità, si gonfia fino a rompersi. La penicillina attacca gli enzimi che costruiscono il peptidoglicano, una rete di carboidrati e piccole catene proteiche che avvolge completamente il batterio all'esterno della membrana cellulare. Le cellule batteriche devono sopportare una grande pressione osmotica perchè contengono una notevole concentrazione di proteine, piccole molecole e ioni al loro interno, mentre l'ambiente esterno è molto più diluito. Se non fossero circondate da questa rete di robusto peptidoglicano, le cellule batteriche assorbirebbero acqua fino a scoppiare a causa della loro pressione osmotica interna.

Fermare la costruzione
Per formare il peptidoglicano, alcuni enzimi assemblano lunghe catene di carboidrati dai quali sporgono corti segmenti proteici. Altri enzimi, come D-alanil-D-alanina carbossipeptidasi / transpeptidasi (mostrato qui sopra, file PDB 3pte) legano insieme questi piccoli peptidi per formare un reticolo bidimensionale che avvolge la cellula come un sacco con struttura a rete.
Dato che la penicillina è chimicamente simile a queste sequenze di D-alanina, si lega agli enzimi che hanno il compito di sintetizzare il peptidoglicano e li blocca perchè non sono capaci di incorporarla nella struttura in crescita. Questi enzimi, quindi, sono anche chiamati proteine leganti la penicillina.

Resistenza alla Penicillina
Naturalmente i batteri sono stati veloci nel trovare le contromisure. Dato che si riproducono con grande velocità, con decine di generazioni ogni giorno, la loro evoluzione è sorprendentemente rapida. I batteri hanno sviluppato diverse strategie per controbattere l'azione della penicillina.
Alcuni hanno alterato leggermente le proteine leganti la penicillina in modo che non si leghino più al farmaco, pur restando capaci di sintetizzare il peptidoglicano.
Altri hanno sviluppato metodi per espellere velocemente i farmaci lontano dalla cellula. Il metodo più diffuso, però, è quello di creare uno speciale enzima, chiamato beta-lattamasi che individua la penicillina e la distrugge.
Le beta-lattamasi hanno una struttura simile a quella delle proteine leganti la penicillina, così simile che i ricercatori credono che si siano evolute a partire da queste. Le proteine leganti la penicillina usano un amminoacido serina per svolgere la loro reazione, che è stato evidenziato in magenta nella figura qui sopra sulla sinistra (file PDB 3pte). La serina forma un legame covalente con la catena di peptidoglicano e poi lo rompe quando si crea il legame di reticolazione con un'altra delle catene di peptidoglicano. La penicillina si lega a questa serina, ma poi non la rilascia e in questo modo blocca in modo permanente il sito attivo dell'enzima. Le beta-lattamasi, come quella mostrata qui a fianco sulla destra (file PDB 4blm), hanno una serina simile nel loro sito attivo. Anche qui la penicillina si lega alla serina, ma poi il legame si rompe e la penicillina viene rilasciata con l'anello beta lattamico aperto, cioè in forma inattiva. Altre beta-lattamasi fanno lo stesso, ma al posto della serina usano uno ione zinco per inattivare la penicillina.

Esplorando la Struttura
Il file PDB 1hvb mostra una proteina legante la penicillina in azione. L'enzima è una D-alanil-D-alanina carbossipeptidasi / transpeptidasi che crea un legame incrociato tra due catene della rete di peptidoglicano. La struttura contiene una molecola sintetizzata apposta dai ricercatori per catturare questa istantanea del processo di reticolazione. La cefalosporina, un farmaco simile alla penicillina, è legato alla serina nel sito attivo. Il farmaco si trova nella posizione normalmente occupata da una delle catene che devono essere reticolate come è indicato dai puntini trasparenti bianchi che si estendono sulla sinistra. Un piccolo peptide è stato legato a questo farmaco nella posizione normalmente occupata dalla seconda catena che deve essere reticolata. Questa struttura mostra come si dovrebbe presentare il complesso subito dopo che il legame incrociato è stato creato.








Bibliografia

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Waxman, D.J. and Strominger, J.L. (1983) Penicillin-binding proteins and the mechanism of action of beta-lactam antibiotics. Annual Review of Biochemistry 52, pp. 825-869.