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

Kinesina


Molecola del Mese di Aprile 2005

Kinesina
Poiché le cellule sono molto piccole, la maggior parte dei processi cellulari usa la semplice diffusione casuale per trasportare materiali da un luogo all'altro. Per esempio, quando una molecola di glucosio viene degradata nella glicolisi, i dieci enzimi e tutti i frammenti intermedi vengono riversati insieme nel citoplasma dove vagano casualmente fino a quando ogni molecola non trova la sua giusta destinazione. Per le molecole e le proteine di piccole dimensioni, la diffusione casuale è abbastanza veloce e funziona bene, ma per le molecole più grandi, le cellule devono adottare una strategia più attiva. Qui entrano in campo i motori molecolari. Le cellule costruiscono una varietà di motori che trascinano le molecole più grandi alla loro giusta destinazione.

Motori Molecolari
Le cellule costruiscono tre tipi di motori azionati da ATP che si muovono lungo filamenti proteici. Le miosine, come le famose miosine che muovono i nostri muscoli, usano l'energia dell'ATP per muoversi lungo filamenti di actina. Le kinesine e le dineine, d'altra parte, camminano lungo microtubuli, trascinando il loro carico insieme con loro. Tutti questi motori sono composti da un dominio motore che scinde l'ATP e converte l'energia in movimento, ed un dominio di legame che si connette all'oggetto che viene mosso. La kinesina mostrata qui (file PDB 3kin) è composta di due catene. I due domini motore sono in cima, in uno dei quali si vede l'ADP (rosso). Un filamento lungo e flessibile connette i domini motore ai domini che legano il carico sul fondo. La parte inferiore della molecola è mostrata in modo schematico perché solo i domini motore e la parte iniziale del filamento (collo) erano visibili nella struttura cristallina.

Andare sui binari
Le kinesine vengono usate per svolgere molti compiti nelle cellule. La maggior parte delle cellule contengono un fascio di microtubuli, puntati dal centro della cellula alla superficie. Le kinesine vengono usate per trascinare verso l'esterno grandi oggetti, come i lisosomi o il reticolo endoplasmatico, dalla superficie della membrana nucleare verso la membrana cellulare. Le Dineine vengono usate per lo scopo opposto, tirare oggetti verso l'interno. Le kinesine trascinano materiali lungo le enormi lunghezze degli assoni dei nervi, anzi questa funzione è stata quella che ha permesso di scoprire le kinesine. Le kinesine vengono anche usate per far scivolare i microtubuli uno vicino all'altro, durante il processo che crea due sistemi separati di microtubuli per separare i cromosomi quando la cellula si divide.

Un passo alla volta
Le kinesine e le miosine compiono le loro funzioni in modo diverso. La miosina si lega ad un filamento di actina, compie il suo movimento forzato, e poi rapidamente rilascia il filamento. Quindi per compiere un lungo movimento, molte molecole di miosina devono collaborare, ognuna facendo la sua parte. La kinesina invece può fare tutto da sola. La kinesina si muove lungo il microtubulo come un uomo che striscia carponi portando una mano davanti all'altra . Ad ogni passo, un dominio motore si aggrappa fermamente mentre l'altro lascia la sua presa e si piega in avanti scavalcando il primo dominio fino alla prossima posizione sul microtubulo, dove si afferra saldamente a sua volta. In questo modo i due domini motore lavorano insieme lungo il microtubulo, facendo molte centinaia di passi come questo, da 8 nanometri ciascuno, prima di fermarsi.
Se volete vedere un filmato che mostra la kinesina in azione, scaricate il file.flv Walking Kinesin
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Avanti o Indietro?
Le nostre cellule costruiscono circa 40 tipi diversi di kinesine per svolgere funzioni diverse. Tutte hanno un dominio motore simile che usa ATP per realizzare il movimento forzato. Ma questo motore è legato a molti tipi diversi di adattatori che legano l'oggetto che deve essere mosso. Qui a destra sono mostrate due kinesine, la kinesina convenzionale in alto (file PDB 2kin) e la kinesina ncd (non-claret disjunctional) in basso (file PDB 2ncd). Notate che i due domini motore sono connessi in modo diverso ai filamenti. Il risultato di questa differenza è che queste due kinesine si muovono in direzioni opposte sul microtubulo.






















Esplorando la Struttura
Ora che le strutture di molti motori molecolari sono state determinate, possiamo vedere che il meccanismo del movimento forzato è molto simile nelle diverse kinesine e, cosa notevole, anche nelle miosine. Il trucco usato dai motori molecolari è di collegare la piccola variazione strutturale legata alla rottura del legame fosfato-fosfato nell'ATP ad un grande cambiamento strutturale nel motore. Qui a fianco sono mostrate due strutture di kinesina . Quella sulla sinistra mostra la kinesina prima del movimento forzato (file PDB 1bg2).
Quella sulla destra illustra la kinesina dopo il movimento forzato (file PDB 2kin). In tutti e due gli esempi, è illustrato un solo dominio motore e l'ADP è mostrato in rosso.
La porzione che lega l'ADP, blu, cambia leggermente struttura quando rilascia ADP e al suo posto lega l'ATP (figura a destra). Questo piccolo cambiamento strutturale spinge sull'elica di trasmissione, verde, che viene leggermente deformata. Questo crea una tasca perfetta per il segmento che lega il collo (neck linker, giallo).
Prima del movimento forzato e quindi prima che si leghi ATP, è legato ADP, la tasca è troppo piccola ed il segmento è flessibile e disordinato. Il legame con l'ATP provoca il movimento forzato perchè la tasca assume la dimensione esatta per ospitare il segmento che così si infila nella proteina, trascinando con sè il collo del lungo filamento al quale è legata la molecola che deve essere trasportata e anche il secondo dominio motore.
La scissione dell'ATP in ADP e fosfato fa richiudere la tasca, il segmento viene liberato ed il motore è pronto per il prossimo passo.

Se volete vedere un filmato che mostra la kinesina in azione, scaricate il file.flv Walking Kinesin
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Bibliografia

R. D. Vale and R. A. Milligan (2000) The Way Things Move: Looking Under the Hood of Molecular Motor Proteins. Science 288, 88-95.

G. Woehlke and M. Schliwa (2000) Walking on Two Heads: the Many Talents of Kinesin. Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, 50-58.