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

Caspasi


Molecola del Mese di Agosto 2004

Caspasi
Miliardi di cellule del nostro corpo moriranno entro la prossima ora. Questo è del tutto normale, il nostro corpo si rinnova continuamente, eliminando le cellule invecchiate o danneggiate e sostituendole con nuove cellule sane. Questa operazione, però, deve essere eseguita con grande prudenza. Se le cellule vengono danneggiate, come quando ci tagliamo, possono gonfiarsi e scoppiare, contaminando l'area circostante. Il nostro corpo risponde duramente a questo tipo di morte cellulare, provocando nella zona un'infiammazione, cioè facendo giungere rapidamente le cellule del sangue per pulire ogni residuo. Per evitare questi problemi le nostre cellule vengono eliminate con una tecnica di morte programmata pulita e rapida. Quando giunge il segnale, la cellula comincia a smontare le sue strutture interne e si suddivide in piccoli frammenti ordinati che possono essere consumati rapidamente dalle cellule vicine. Questo processo di morte controllata e antisettica viene chiamato apoptosi.

Quali Cellule devono Morire?
L'apoptosi interviene in molti casi. Durante lo sviluppo embrionale, gli organi vengono plasmati costruendo strutture più grandi del necessario e poi eliminando le cellule in eccesso. Per esempio, durante lo sviluppo del sistema nervoso, la metà dei neuroni muore, lasciando il giusto insieme di filamenti neurali. Se guardiamo un girino perdere la coda, possiamo vedere l'apoptosi in azione. Anche negli adulti, l'apoptosi continua ad agire quando le cellule invecchiate muoiono e vengono sostituite da cellule nuove, soprattutto negli organi con un grande ricambio cellulare come il midollo osseo e l'intestino. L'apoptosi, inoltre, ci protegge dalle cellule danneggiate dalle radiazioni o infettate dai virus. Quando vengono scoperte, queste cellule pericolose sono idotte subito a commettere suicidio. L'apoptosi è anche una delle nostre difese più importanti contro il cancro, ma le cellule cancerose maligne spesso hanno delle mutazioni che disattivano il loro meccanismo di apoptosi.

Il Carnefice
Le Caspasi sono i carnefici dell'apoptosi. Sono enzimi proteolitici che tagliano proteine strategiche nella cellula. Il nome C-ASP-ASI (Cisteina ASPartato proteASI) si riferisce a due proprietà di questi enzimi. La prima, sono proteasi alla cisteina che usano l'atomo di zolfo della cisteina per compiere la reazione di taglio. La seconda, tagliano le proteine vicino agli amminoacidi di aspartato. Non tagliano in modo casuale, ma sono progettate per fare esattamente i giusti tagli necessari per smontare la cellula in modo ordinato.

Caspasi nel PDB
Sono state scoperte almeno una dozzina di caspasi nelle cellule umane, ognuna con un compito lievemente diverso. Le strutture di molte di queste sono già disponibili nel PDB. Tre sono mostrate qui a destra.
La caspasi-1 (anche nota come enzima di conversione della interleuchina-1 beta ) è stata la prima ad essere scoperta. Non è coinvolta direttamente nell'apoptosi, ma elabora una molecola di segnalazione cellulare nei globuli bianchi del sangue. Come nelle altre caspasi, la forma attiva è composta di due catene, ognuna delle quali viene tagliata in due pezzi. La struttura mostrata qui a destra in alto (file PDB 1ice) ha dei piccoli inibitori legati nei due siti attivi (verdi).
La caspasi-9 è mostrata al centro (file PDB 1nw9), legata ad una proteina inibitrice (mostrata in blu). L'inibitore la mantiene in una forma inattiva e quando viene rilasciato, questa caspasi può legarsi con un'altra e formare un complesso attivo più grande. La caspasi-9 è una caspasi iniziatrice che comincia il processo di apoptosi. Quando riceve il segnale per cominciare il processo, viene attivata e fa un taglio in una caspasi effettrice, come la caspasi-3 mostrata in basso (archivio PDB 1pau). La caspasi-3, insieme con altre caspasi effettrici, comincia poi il pesante lavoro di smontare la cellula.


Aiutanti per l'apoptosi
Le Caspasi sono progettate per tagliare le proteine in piccoli frammenti, ma la cellula deve rompere anche le altre sue molecole e quindi ha bisogno di ulteriore aiuto. Per svolgere questo lavoro le cellule possiedono un certo numero di proteine attivate dalle caspasi. Quella mostrata qui (file PDB 1v0d e 1c9f) è la deossiribonucleasi (DNAasi) attivata dalla caspasi. Durante l'apoptosi, le caspasi tagliano una proteina inibitrice che si lega ai due grandi domini sotto la molecola, generando così la forma attiva. Il DNA scivola nel grande incavo posto sopra la molecola e gli amminoacidi del sito attivo, mostrati qui in verde lo tagliano in piccoli frammenti.





















Esplorando la Struttura
Come potete immaginare, le caspasi sono enzimi pericolosi per le cellule, così vengono creati sotto forma di proenzimi inattivi. La struttura qui a fianco sulla sinistra, la procaspasi-7 (file PDB 1k88), ce ne mostra un esempio. Il sito attivo contiene una cisteina reattiva (gialla) e due amminoacidi basici (arginine, blu) che riconoscono l'aspartato nella proteina che viene tagliata. Come potete vedere, la procaspasi è flessibile e questi tre amminoacidi chiave non sono riuniti in un sito attivo compatto. Quando la caspasi è attivata, dopo che ha subito alcuni tagli strategici nella catena proteica, il sito attivo può assumere la conformazione corretta. La struttura sulla destra (file PDB 1f1j) mostra la forma attiva della caspasi-7 con una piccola catena proteica legata nel sito attivo. La struttura coglie l'enzima nel mezzo della sua reazione. La cisteina è legata alla catena proteica bersaglio, e l'aspartato è infilato in mezzo ai due aminoacidi basici.

Bibliografia

S. W. Hetts (1998) To die or not to die: an overview of apoptosis and its role in disease. Journal of the American Medical Society 279, 300-307.

D. W. Nicholson and N. A. Thornberry (1997) Caspases: killer proteases. Trends in Biochemical Sciences 22, 299-306.

S. W. Fesik (2000) Insights into programmed cell death through structural biology. Cell 103, 273-282.

Y. Shi (2002) Mechanisms of caspase activation and inhibition during apotosis. Molecular Cell 9, 459-470.