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

Citrato sintasi


Molecola del Mese di Luglio 2007
L'enzima citrato sintasi realizza la prima tappa del ciclo di Krebs legando acetil-CoA all'acido ossalacetico per formare acido citrico.

Introduzione
Il nostro corpo brucia ogni giorno gran parte del cibo che assumiamo. Le nostre cellule però non lo bruciano come se si trattasse di legna in un caminetto, ma lo fanno reagire con l'ossigeno in una serie di reazioni attentamente controllate. Solo in questo modo l'energia viene liberata un po' alla volta e può essere trasformata in energia chimica sotto forma di molecole come ATP o NADH. Queste vengono poi usate per dare energia ad ogni processo cellulare. Le nostre cellule ricavano la maggior parte dell'energia da una lunga serie di reazioni che combinano ossigeno e glucosio formando biossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O) e formando inoltre grandi quantità di ATP e NADH nel corso del processo.

Formare il legame
La citrato sintasi è un enzima centrale in questo processo di ossidazione del glucosio. Realizza la prima tappa del ciclo di Krebs.
Il glucosio viene prima spezzato in due molecole di acido piruvico dagli enzimi della glicolisi (mdm febbraio 2004). Le due molecole di acido piruvico vengono poi decarbossilate e ossidate formando due molecole di CO
2 e due molecole di acido acetico legate al coenzima A (acetil-CoA). Queste poi, nel ciclodi Krebs, vengono completamente ossidate fino a formare CO2.
L'enzima citrato sintasi realizza la prima tappa del ciclo di Krebs legando acetil-CoA all'acido ossalacetico per formare acido citrico. Questa è una forma conveniente per legare gli atomi di carbonio dell'acido acetico e ossidarli completamente in modo controllato fino a CO
2 lungo le varie tappe enzimatiche del ciclo.

Adattamento indotto
La citrato sintasi, nella sua azione enzimatica, offre un classico esempio di adattamento indotto. Qui a lato è mostrato l'enzima di maiale (file PDB 1cts in alto e 2cts in basso) che è molto simile a quello umano. L'enzima che si trova nelle nostre cellule, infatti, è molto simile a quello presente nella maggior parte degli animali e delle piante.
La citrato sintasi è composta di due subunità identiche, ognuna con il proprio sito attivo. L'enzima, prima di legare i substrati, ha una forma più aperta (mostrata nella figura in alto con l'acido citrico evidenziato in rosso), ma quando si lega ai due substrati (acido acetico e acido ossalacetico in ognuno dei due siti attivi), si stringe attorno a questi per realizzare la reazione chimica che li lega uno all'altro (vedi figura qui a lato con i substrati in verde). La forma del sito attivo dell'enzima si adatta quindi a quella del substrato mentre lo lega.



Controllo di velocità
L'enzima citrato sintasi dei batteri è più grande di quello umano, qui a fianco è mostrato quello del batterio Escherichia Coli (dal file PDB 1nxg). Questo enzima è composto di sei subunità identiche, ma guardandolo di lato (figura più in basso) si può vedere che ogni coppia di subunità ha una struttura a forma di Z molto simile a quella dell'enzima umano.
L'enzima batterico ha un secondo sito attivo che si può legare al NADH, mostrato qui in magenta. Il legame col NADH rallenta l'azione enzimatica. Questo permette alla cellula di regolare la quantità di energia prodotta: alti livelli di NADH significano che la cellula ha energia in abbondanza e quindi non è più necessario mettere in funzione il ciclo di Krebs per degradare acetil-CoA.











Esplorando la struttura
Dato che l'enzima citrato sintasi si trova in quasi tutte le cellule viventi, si è pensato di utilizzarlo per valutare le differenze tra organismo e organismo. In particolare è stato usato per studiare l'adattamento delle cellule che vivono in ambienti estremi, per esempio di organismi che vivono in ambienti molto freddi (file PDB 1a59 non mostrato qui) e altri che vivono in ambienti molto caldi.
L'enzima mostrato qui sotto (file PDB 2ibp) ha un'interessante caratteristica strutturale che gli consente di resistere alle alte temperature.
Ogni catena ha un ponte disolfuro (giallo) che la chiude ad anello. Osservando l'intera struttura, vediamo che le due catene ad anello sono intrecciate tra loro in modo che se anche perdono la forma a causa dell'alta temperatura, restano comunque legate e così, quando la temperatura scende, possono tornare a disporsi nella forma corretta. Questo, però, è un espediente che viene osservato molto raramente nelle proteine naturali.



Nell'immagine qui sotto è mostrato in dettaglio questo intreccio tra le due catene realizzato con i ponti disolfuro.




Nelle due immagini qui sotto è mostrata la posizione dell'acido citrico appena formato all'interno del sito attivo dell'enzima citrato sintasi di maiale (file PDB 1cts). L'acido citrico, mostrato con piccole sfere azzurre (C) e rosse (O), è circondato dagli amminoacidi che lo hanno aiutato a formarsi dalla condenzazione di acetil-CoA e acido ossalacetico. Sullo sfondo si vede una arginina mentre
a destra e a sinistra si vedono i due anelli di due istidine che hanno fornito la catalisi acida e basica alla reazione.



Le due immagini qui sopra forniscono una visione tridimensionale se osservate (a sguardo incrociato) da circa 60 cm con la seguente procedura:
Mettete le mani a coppa 15 cm davanti ai vostri occhi e lasciate tra i palmi un foro attraverso cui guardare le immagini.
Mantenendo ferma la testa, trovate la posizione delle mani con la quale, guardando solo con l'occhio sinistro, vedete l'immagine di destra e guardando solo col destro, vedrete l'immagine di sinistra.
Guardando con entrambi gli occhi, nel foro tra le mani vedrete l'immagine 3D della molecola.


Bibliografia
G. Wiegand, S. J. Remington (1986) Citrate synthase: structure, control, and mechanism. Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry 15, 97-117.

spazio

Molecola del Mese - Indice completo

PianetaChimica home