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

Molecola del Mese di Ottobre 2003
Parole chiave: enzimi proteolitici, proteasi alla serina, tripsinogeno, enteropeptidasi, inibitore delle tripsina

Introduzione
Il nostro corpo ha bisogno di un consistente apporto di amminoacidi che vengono usati per costruire nuove proteine o per sostituire quelle vecchie. Ogni giorno, un adulto ha bisogno di circa 35-90 grammi di proteine, a seconda del suo peso. Stranamente, però, molte di queste proteine le otteniamo dal nostro stesso corpo. Ogni giorno, infatti, produciamo 20-30 grammi di proteine digestive che vengono a loro volta digerite quando hanno finito il loro compito. Inoltre vengono digerite e riassorbite anche le cellule intestinali morte e le proteine presenti nelle piccole perdite di sangue, a dimostrazione del fatto che il nostro corpo è un esperto nel riciclare le molecole.

Forbici per proteine
Le proteine sono molecole resistenti, così dobbiamo usare molti enzimi per digerirle cioè per tagliarle in pezzi sempre più piccoli fino a liberare gli amminoacidi di cui sono composte. La digestione delle proteine comincia nello stomaco, dove l'acido cloridrico le fa srotolare e l'enzima pepsina esegue i primi tagli. Il grosso del lavoro comincia però più avanti, nell'intestino. Il pancreas produce un insieme di enzimi proteolitici, il più importante dei quali è la tripsina, che taglia le catene proteiche in frammenti lunghi solo alcuni amminoacidi. Poi, altri enzimi, sulla superficie delle cellule intestinali e all'interno delle cellule, li tagliano in amminoacidi, che vengono usati in tutto il corpo per la sintesi di nuove proteine.

Enzimi Proteolitici alla Serina
La tripsina usa un particolare amminoacido, la serina, per eseguire la reazione di taglio delle proteine, e quindi è conosciuta come proteasi alla serina. Questa è, in realtà, una vasta famiglia di enzimi che usano tutti un apparato enzimatico simile. Durante la digestione, tripsina, chimotripsina ed elastasi lavorano insieme per tagliare le proteine. Ognuna ha una sua particolare preferenza per le catene laterali di alcuni amminoacidi.
La tripsina (mostrata in alto, file PDB 2ptn) taglia sul carbossile degli amminoacidi basici: lisina e arginina.
La chimotripsina (mostrata in mezzo, file PDB 2cha) taglia sul carbossile dei grandi amminoacidi apolari: fenilalanina, tirosina, triptofano, leucina e isoleucina.
Infine l'elastasi (mostrata in basso, file PDB 3est) preferisce le catene laterali degli amminoacidi piccoli come l'alanina.
Nelle tre immagini qui a destra, la serina chiave è mostrata in bianco e rosso al centro del sito attivo, vicino a lei si vede anche una istidina (bianco e blu) ed un acido aspartico (in alto ne è visibile solo un ossigeno rosso). Enzimi simili alla tripsina si trovano anche in molti altri punti del nostro corpo. Alcuni di questi enzimi sono estremamente specifici, tagliano solamente una particolare proteina. Per esempio, la trombina (mdm 1-2002), è in grado di tagliare in modo specifico il fibrinogeno, creando così un coagulo di sangue.


Enzimi robusti
Le proteasi alla serina hanno avuto un ruolo centrale nella scoperta e nello studio degli enzimi. Si sono rivelati un soggetto ideale da studiare, perchè sono abbondanti nei succhi pancreatici e molto stabili, e quindi sono relativamente facili da isolare. È anche facile studiare la loro funzione: basta introdurre una qualsiasi proteina e osservare quanto velocemente viene digerita. La chimotripsina è stata fra le prime proteine ad essere studiata con la cristallografia a raggi X, rivelando il suo complesso apparato per legare la proteina bersaglio e compiere un taglio preciso nella catena. Oggi, ci sono centinaia di strutture di proteasi alla serina disponibili nel PDB che aspettano solo di essere esplorate.

I Pericoli delle Proteasi
La digestione delle proteine nel nostro corpo è un'operazione molto delicata. Le proteine costituiscono circa un quinto del materiale presente nelle nostre cellule, così dobbiamo stare molto attenti quando costruiamo una macchina che taglia le proteine. Con gli enzimi digestivi, il segreto è creare l'enzima in forma inattiva (zimogeno), per poi attivarlo solo dopo che è giunto nell'intestino. La tripsina è costruita con un tratto in più di catena proteica, colorato in verde nella struttura qui a lato (file PDB 1tgs). In realtà, in questa struttura cristallina, sono visibili solo due amminoacidi di questo tratto addizionale, quindi dovete immaginare il resto della catenella che sporge fuori dalla proteina. Questa forma più lunga di tripsina, chiamata tripsinogeno, è inattiva e non può tagliare catene proteiche. Poi, quando entra nell'intestino, l'enzima enteropeptidasi taglia la piccola coda staccandola della tripsina. Questo permette alla nuova parte terminale della catena, colorata qui di magenta, di infilarsi all'interno della proteina ripiegata per stabilizzare la forma attiva dell'enzima, come mostrato sulla destra (file PDB 2ptc). Per una maggiore sicurezza, il pancreas sintetizza anche un inibitore della tripsina, la piccola proteina mostrata in rosso, che si lega ad eventuali tracce di tripsina attiva che potrebbero essere presenti prima che avvenga la secrezione nell'intestino. Questo inibitore si lega al sito attivo della tripsina, bloccandone l'azione, ma solo temporaneamente, infatti nell'intestino sarà tagliato a pezzi dagli altri enzimi proteolitici.

Esploriamo la Struttura
Nel PDB, ci sono molti altri esempi di proteasi alla serina, che vengono sintetizzate per la digestione, l'attivazione di ormoni, la coagulazione del sangue, l'attivazione del sistema immunitario, e per molte altre funzioni. Queste hanno in comune un insolito insieme di tre amminoacidi che si è rivelato molto efficiente nel taglio delle proteine al punto che è stato riscoperto più e più volte nel corso dell'evoluzione. Il cuore di questo meccanismo è un amminoacido serina che viene attivato da una istidina e da un acido aspartico. Insieme questi tre amminoacidi sono stati chiamati sistema a rilascio di carica. L'istidina e l'aspartato aiutano a rimuovere l'atomo di idrogeno dalla serina (bianco), questo rende la serina più reattiva al momento di attaccare la catena proteica bersaglio. Questa figura è stata creata usando il file PDB 2ptc, che ha una proteina inibitrice (rosa) legata al sito attivo. Il sito di taglio in questo inibitore (verde) è tenuto abbastanza lontano da non essere tagliato nel modo in cui lo sarebbero la maggior parte delle proteine nella stessa posizione. Notate anche la lunga catena laterale dell'amminoacido lisina che si estende verso il basso a destra dal sito di taglio (termina con un azoto blu), dove interagisce con un altro aspartato dell'enzima (nell'angolo a destra in basso con gli ossigeni rossi). Attraverso questa interazione, la tripsina riconosce la lisina e può tagliare nella posizione corrispondente al suo carbossile.

Queste immagini sono state create con Chime (vedi chimica al computer). Anche voi potete creare immagini simili scaricando i file PDB dell'articolo, decomprimendoli e poi lanciandoli con Internet Explorer (se avete scaricato il plug-in Chime).

Bibliografia

R.M. Stroud (1974): A Family of Protein-Cutting Proteins. Scientific American 231(1), pp. 74-88.

R.H. Erickson and Y.S. Kim (1990): Digestion and Absorption of Dietary Protein. Annual Review of Medicine 41, pp. 133-139 .






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