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

Calmodulina


Molecola del Mese di Agosto 2003

Strutture e Segnali
Il calcio è l'elemento minerale più abbondante del nostro corpo, e il fosforo è il secondo. Questo non è affatto sorprendente, dato che le ossa sono rinforzate e sostenute da circa due chili di calcio e fosforo. Il nostro corpo usa anche una piccola quantità di calcio, nella forma di ioni calcio, per svolgere compiti più attivi. Gli ioni calcio svolgono un ruolo essenziale nelle segnalazioni cellulari, aiutando a controllare processi come la contrazione muscolare, la trasmissione dell'impulso nervoso, la fecondazione e la divisione della cellula.
Attraverso l'azione delle pompe calcio e di molte altre proteine che legano il calcio, le cellule mantengono il loro livello interno di calcio da 1000 a 10.000 volte più basso rispetto ai livelli di calcio nel sangue. Quando il calcio viene rilasciato all'interno delle cellule, può interagire con le proteine sensibili al calcio e innescare vari effetti biologici, facendo contrarre un muscolo, rilasciando insulina dal pancreas, o impedendo l'entrata di altre cellule di sperma dopo che l'uovo è stato fecondato.

Sentire il calcio
Come suggerisce il suo nome, la calmodulina è una proteina modulata dal calcio (CALcium MODULated proteIN). È abbondante nel citoplasma di tutte le cellule più evolute ed è rimasta quasi immutata nel corso dell'evoluzione. La calmodulina agisce come una proteina intermediaria che sente i livelli di calcio e rilascia segnali ai vari enzimi sensibili al calcio, ai canali ionici e ad altre proteine. La calmodulina è una piccola proteina a forma di manubrio composta di due domini globulari collegati da un connettore flessibile. Ognuna delle due porzioni terminali si lega a due ioni calcio. La calmodulina mostrata qui a fianco (file PDB 3cln), ha tutti i quattro siti occupati da ioni calcio (sferette ciano) ed il connettore flessibile ha formato una lunga alfa-elica che separa i due domini di legame del calcio.

Analoghi della Calmodulina
Molte proteine sono sensibili ai livelli di calcio all'interno e all'esterno delle cellule. La prima proteina che si è dimostrata sensibile al calcio è stata la troponina C (file PDB 1tcf) scoperta alla fine degli anni '60, prima della calmodulina. La troponina C sente l'aumento dei livelli di calcio e provoca la contrazione muscolare. Le strutture della troponina C e della calmodulina sono notevolmente simili, la differenza maggiore è la lunghezza del connettore flessibile che unisce i due domini globulari che legano il calcio. La regione proteica che lega il calcio, mostrata in dettaglio più sotto, è invece quasi identica. Questa si è rivelata così efficente che è stata adottata da molte altre proteine sensibili al calcio.

Regolazione Versatile
Le proteine bersaglio della calmodulina si presentano con forme, dimensioni e sequenze molto diverse e sono coinvolte in una grande varietà di funzioni. Per esempio, la calmodulina legata al calcio forma una subunità essenziale per l'enzima di regolazione fosforilasi chinasi che, a sua volta, è un regolatore della degradazione del glicogeno. La calmodulina si lega, attivandole, anche ad altre chinasi e fosfatasi che hanno ruoli importanti nelle segnalazioni cellulari, nel trasporto degli ioni e nella morte cellulare.
Una costante nel legame tra la calmodulina e le sue varie proteine bersaglio è l'uso di interazioni non-polari, in particolare, attraverso le interazioni con le metionine della calmodulina che sono insolitamente abbondanti. Quando lega il calcio, la calmodulina espone queste superfici non-polari e le usa per legarsi a regioni non-polari sulle proteine bersaglio. La struttura illustrata qui a fianco sulla sinistra (file PDB 1cfd) mostra la calmodulina senza calcio, mentre la struttura sulla destra (file PDB 1cll) mostra la calmodulina dopo che ha legato il calcio. I siti di legame non-polari sono colorati con i carboni in verde e lo zolfo delle metionine in giallo. Notate che, quando il calcio è legato, questi amminoacidi non-polari formano due incavi perfetti (asterischi) che sono pronti ad afferrare la proteina bersaglio. Poiché questi incavi non-polari hanno una forma generica, la calmodulina si comporta come una proteina regolatoria versatile ed i suoi bersagli non sono costretti a possedere una sequenza specifica di amminoacidi o particolari strutture nel sito di legame.

Flessibilità della Calmodulina
Le indagini NMR hanno chiaramente dimostrato che il connettore tra i due domini globulari che legano il calcio è flessibile anche quando non è legato alle proteine bersaglio. Comunque, questa grande flessibilità è evidente nelle interazioni della calmodulina con le sue proteine bersaglio. La calmodulina si avvolge in modo caratteristico attono al suo bersaglio, con i due domini globulari che lo afferrano da entrambi i lati come un pugno chiuso attorno ad un bastone.
Le due strutture qui a lato sulla sinistra mostrano la calmodulina legata a due diversi enzimi bersaglio:
in alto, la proteina chinasi II-alfa, calmodulina-dipendente, (file PDB 1cm1),
subito sotto, la catena leggera della miosina chinasi (file PDB 2bbm).
In entrambi i casi, è stata inclusa nella struttura solo una piccola porzione della catena proteica bersaglio (rossa). Notate che il connettore flessibile della calmodulina (magenta) permette a questa di adattarsi alle forme lievemente diverse delle due proteine bersaglio.
Nella tossina dell'antrace che produce edema, mostrata più a destra (file PDB 1k93), si può osservare una diversa geometria di legame. Quando la calmodulina si lega alla tossina (rossa), si ha una variazione conformazionale nella tossina che innesca la sua attività di adenosina fosfato ciclasi che vuota le riserve di energia della cellula ospite. Poichè la calmodulina è assente nei batteri, i batteri dell'antrace hanno imparato con l'evoluzione a sfruttare l'abbondanza di calmodulina nei loro ospiti per attivare la tossina e prendere il controllo del loro apparato cellulare.


Esplorando la Struttura
La calmodulina contiene quattro siti di legame per il calcio, ad alta affinità, quasi identici, come si può vedere dalla rappresentazione schematica della catena proteica mostrata qui a fianco sulla sinistra (file PDB 1cll). Gli ioni calcio sono mostrati in magenta. Il sito di legame del calcio è costituito da un ripiegamento della catena proteica affiancato da due alfa-eliche. Come si vede sulla destra, lo ione calcio, carico positivamente, è circondato dalle catene laterali, cariche negativamente, di tre aspartati ed un glutammato, e anche da un atomo di ossigeno della catena principale della proteina (in basso).







Bibliografia

Vetter, S.W. and Leclerc, E. (2003): Novel aspects of calmodulin target recognition and activation. Eur. J. Biochem. 270, pp. 404-414.

The CaBP data library. http://structbio.vanderbilt.edu/cabp_database

Liddington, R.C. (2002): A molecular full nelson. Nature 415, pp. 373-374.