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

Solfotrasferasi


Molecola del Mese di Agosto 2009

Solfotrasferasi
Le cellule sono dei laboratori chimici eccezionali. Realizzano ogni tipo di reazione per sintetizzare o per modificare le molecole. Una tecnica chimica molto usata dalle cellule consiste nell'aggiungere gruppi solfato alle molecole. Nelle normali condizioni cellulari, i gruppi solfato sono carichi negativamente e formano legami idrogeno con i gruppi OH dell'acqua o di altre molecole nella cellula. Questo rende le molecole solforilate molto più solubili e facili da riconoscere. Per introdurre un gruppo solfato nelle molecole, la cellula utilizza una serie di enzimi chiamati solfotrasferasi. Questi prendono un gruppo solfato da un conveniente donatore, il PAPS (3'-fosfoadenosina-5'-fosfosolfato), e lo trasferiscono alla molecola bersaglio.

Solforilazione nel Citoplasma
Nel citoplasma della cellula ci sono molte solfotrasferasi differenti che agiscono su molecole piccole. Questi enzimi hanno diverse importanti funzioni.
Alcuni hanno un ruolo chiave nella eliminazione della tossine. Molte molecole tossiche sono piccole e insolubili, quindi la solfotrasferasi trasferisce un gruppo solfato a queste molecole e così le rende più facili da espellere dalla cellula e poi dal corpo. In alcuni casi questo metodo funziona alla perfezione. Per esempio, quando prendiamo un farmaco contro il mal di testa come acetamminofene, il suo effetto svanisce in poche ore perchè le sue molecole sono solforilate e quindi rapidamente escrete. In altri casi, invece, il gruppo solfato aggiunto può trasformare una molecola relativamente innocua in un potente cancerogeno oppure può trasformare una molecola inattiva in un farmaco efficace, come nel caso del minoxidil.
L'enzima solfotrasferasi ha anche un ruolo nella normale distribuzione nel corpo di molecole insolubili. Per esempio, la solfotrasferasi mostrata qui in alto a sinistra (file PDB 1aqu) addiziona gruppi solfato agli estrogeni creando una forma solubile che può circolare nel sangue. Quando raggiunge la cellula bersaglio, il gruppo solfato viene rimosso da un altro enzima ricreando così la forma attiva dell'ormone.

Solforilazione nell'Apparato del Golgi
Un differente gruppo di enzimi solfotrasferasi opera nell'apparato del Golgi dove addiziona gruppi solfato alle proteine e ai carboidrati che saranno trasportati fuori dalla cellula. Questi enzimi hanno un sito attivo più grande rispetto alle solfotrasferasi del citoplasma e quindi possono agire su molecole più grandi. Questi enzimi sono molto specifici e creano un codice caratteristico di gruppi solfato su proteine e carboidrati. L'enzima mostrato qui in alto a destra (file PDB 1t8u) aggiunge gruppi solfato all'eparina, un grande carboidrato che si trova tra le cellule del nostro corpo. Le differenti posizioni in cui vengono introdotti i gruppi solfato nell'eparina controllano la sua interazione con più di 100 proteine e nello stesso tempo aumentano la solubilità della molecola.

Un Enzima Eccezionale
La maggior parte delle solfotrasferasi usano PAPS come donatore di gruppi solfato, ma, come accade spesso in biologia, ci sono delle eccezioni. La solfotrasferasi batterica mostrata in basso (PDB file 3ets) trasferisce i gruppi solfato da un trasportatore diverso, il p-nitrofenilsolfato (non mostrato), alle molecole bersaglio. Si trova nello spazio periplasmatico tra le due membrane che formano la parete cellulare del batterio. L'esatta funzione di questo enzima non è ancora nota, ma sembra importante per la sintesi delle molte molecole solforilate che vengono usate nelle comunicazioni tra le cellule.



Catturare il Solfato

Il solfato si trova normalmente nella dieta come ione solfato, ma deve essere fissato nella molecola PAPS perchè possa essere utilizzato dalle solfotrasferasi. Sono due gli enzimi necessari per realizzare questa operazione.
Il primo, ATP solforilasi, lega il solfato ai nucleotidi di adenosina.
Il secondo, APS chinasi, aggiunge un altro gruppo fosfato in posizione 3' per creare PAPS.
Nei batteri e nei lieviti queste reazioni sono realizzate da due enzimi diversi. La ATP solforilasi di lievito è mostrata qui sopra sulla sinistra (PDB file 1g8h), mentre l'APS chinasi di Penicillium mold è mostrata al centro (file PDB 1m7g).
Nelle nostre cellule questi due enzimi sono fusi in un'unica catena proteica come si può vedere qui sopra sulla destra (file PDB 1xnj).


Esplorando la Struttura
La maggior parte delle solfotrasferasi trasferisce i gruppi solfato dalla molecola PAPS alle molecole bersaglio. PAPS è una molecola molto conveniente per realizzare questa reazione perchè trasporta una forma attivata del gruppo solfato (rosso e giallo) e inoltre contiene due gruppi fosfato (rosso e arancione) che sono riconosciuti e legati con facilità dal sito attivo dell'enzima.
La struttura mostrata qui a destra (PDB file 2zyv) mostra PAPS legata ad una solfotrasferasi di ratto e contiene anche due molecole (in azzurro) pronte ad accettare il gruppo solfato (in rosso e giallo).













L'enzima batterico mostrato qui a fianco (PDB file 3ets) sfrutta un meccanismo diverso. Realizza la reazione in due stadi.
Nel primo stadio, il gruppo solfato (in rosso e giallo) viene trasferito da un trasportatore fenolico (p-nitrofenilsolfato, non mostrato qui) ad un amminoacido di istidina dell'enzima (mostrato con sfere grigie e blu). Come si vede qui a fianco, il solfato si è legato ad un atomo di azoto (in blu) dell'anello imidazolico dell'istidina.
Nel secondo stadio, il gruppo solfato viene trasferito dall'istidina alla molecola bersaglio (in azurro).
L'immagine qui a destra ci mostra l'enzima nel mezzo di questo processo con l'istidina legata il gruppo solfato al quale, da sopra, si è avvicinata la molecola bersaglio.
Sulla sinistra si notano altri due amminoacidi che aiutano la reazione.










La molecola PAPS (3'-fosfoadenosina-5'-fosfosolfato) è illustrata qui di seguito. Il legame anidridico tra gruppo solfato e gruppo fosfato permette il facile trasferimento del solfato alla molecola bersaglio.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1- Nel sito PDB sono disponibili molti esempi di solfotrasferasi citoplasmatiche. Usate l'opzione Ligand Explorer per osservare le differenze tra i siti attivi che spiegano le loro preferenze per substrati diversi.
2- Il sito attivo di molte solfotrasferasi è sepolto all'interno della proteina, coperto da un tratto flessibile della catena. Notate che questo tratto è disordinato in molte solfotrasferasi e quindi è visibile solo quando c'è un substrato legato nel sito attivo che ne fissa la struttura.

Bibliografia

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