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

Pompa del Calcio


Molecola del Mese di Marzo 2004

La Pompa del Calcio
Ogni volta che muoviamo un muscolo, è necessaria l'azione combinata di miliardi di motori di miosina. Le nostre cellule muscolari usano gli ioni calcio per coordinare questo massiccio sforzo molecolare. Quando a una cellula muscolare giunge il segnale di contrazione dal nervo a lei associato, rilascia un flusso di ioni calcio da uno speciale contenitore intracellulare, il reticolo sarcoplasmatico che circonda i fasci di filamenti di actina e di miosina. Gli ioni calcio diffondono rapidamente e si legano alle tropomiosine sui filamenti di actina. Questi cambiano leggermente forma e permettono alla miosina di legarsi e di cominciare a risalire lungo il filamento. Questi miliardi di motori di miosina continuano a risalire, contraendo il muscolo, finché il calcio non viene rimosso.

Rilassamento
La pompa del calcio permette ai muscoli di rilassarsi dopo questa ondata frenetica di contrazione indotta dal calcio. La pompa si trova nella membrana del reticolo sarcoplasmatico. In alcuni casi, è così abbondante che può costituire fino al 90% del materiale proteico. Sfruttando l'energia dell'ATP, spinge di nuovo gli ioni calcio nel reticolo sarcoplasmatico, riducendo il livello di calcio attorno ai filamenti di actina e miosina e permettendo al muscolo di rilassarsi.
In altre cellule, gli ioni calcio vengono usati per trasmettere segnali, e pompe simili sono state trovate nella membrana cellulare di moltissime cellule. Operano senza sosta per ridurre la quantità di calcio a livelli molto bassi, preparando la cellula per l'azione. Quando, all'improvviso, la cellula viene inondata di calcio, il segnale può diffondersi in ogni angolo.

Pompare il Calcio
La pompa del calcio è una macchina sorprendente con molte parti in movimento. Si trova parzialmente immersa nella membrana del reticolo sarcoplasmatico, come mostrato qui sopra (file PDB 1eul). Ha un grande dominio che sporge fuori, ed una regione che è immersa nella membrana e forma un tunnel che la attraversa. Per ogni ATP rotto, trasferisce due ioni calcio (mostrati in verde) attraverso la membrana, mentre due o tre ioni idrogeno vengono mandati indietro nella direzione opposta. Come è mostrato nella prossima figura, la pompa del calcio si piega e si flette durante il ciclo di pompaggio.

Il Ciclo di Pompaggio
La pompa del calcio subisce una serie di trasformazioni durante il processo di pompaggio. Sono state proposte quattro fasi diverse, e negli archivi PDB attualmente esistono le strutture di due di queste fasi. La struttura sulla sinistra (file PDB 1iwo) è lo stadio vuoto che presumibilmente ha ioni idrogeno legati nel sito di trasferimento, anche se gli ioni H+ non si possono vedere nella struttura cristallina. La sua forma si modifica fino a diventare la struttura sulla destra (file PDB 1eul) permettendo agli ioni calcio di entrare da sopra per sostituire gli ioni idrogeno che escono nel citoplasma verso l'alto. Le ultime due fasi usano una molecola di ATP per modificare la propria forma così il calcio viene rilasciato verso il basso. In questo processo, uno ione fosfato è trasferito dall'ATP ad un particolare amminoacido aspartato nella pompa, Asp 351, mostrato in rosso. Come potete vedere, sia l'aspartato che il presunto sito di legame dell'ATP (che deve essere vicino all'aspartato) si trovano a qualche distanza dal tunnel attraverso il quale passa il calcio. Il cambiamento è controllato dai grandi movimenti dei domini che legano l'ATP che premono o tirano la proteina, aprendo o chiudendo il tunnel al momento opportuno.

Esplorando la Struttura
Il sito di legame del calcio si trova all'interno di un tunnel formato da quattro alfa eliche che passano diritte attraverso la membrana. La figura qui a destra (file PDB 1eul) permette di vedere lungo le eliche. I due ioni calcio, verdi, sono trattenuti da un insieme di amminoacidi, sfere e bastoncini, che coordinano il calcio da ogni lato. La proteina è molto meno stabile quando gli ioni calcio vengono rimossi. Potete vedere la struttura nella forma senza il calcio nel file PDB 1iwo. Questo è stata ottenuto aggiungendo alla proteina un farmaco che si lega vicino al sito di legame del calcio e congela la proteina in una forma stabile, ma inattiva.














Bibliografia

A. G. Lee and J. M. East (2001) What the structure of a calcium pump tells us about its mechanism. Biochemical Journal 356, 665-683.

D. H. MacLennan, W. J. Rice and N. M. Green (1997) The mechanism of Ca2+ transport by sarco(endo)plasmic reticulum Ca2+-ATPases. Journal of Biological Chemistry 272, 28815-28818.