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

Xantina Ossidoreduttasi


Molecola del Mese di Settembre 2009

Xantina Ossidoreduttasi
Con la dieta assumiamo una grande varietà di molecole. Molte di queste vengono completamente demolite e ossidate per produrre l'energia necessaria alle nostre cellule. Altre vengono smontate pezzo per pezzo e riciclate per costruire proteine e acidi nucleici. Le molecole che restano, infine, vengono degradate ed eliminate. L'enzima xantina ossidoreduttasi, mostrato qui a destra dal file PDB 1fo4, degrada i nucleotidi purinici (ATP e GTP) in eccesso che devono essere smaltiti. Le purine vengono degradate in molti passaggi e trasformate in acido urico che infine viene espulso dal corpo.

Estrarre Elettroni
La xantina ossidoreduttasi trasferisce elettroni dalla molecola di purina che viene ossidata ad un accettore finale e quindi contiene una serie di strutture molecolari capaci di trasportare elettroni. Ad una estremità dell'enzima c'è un primo sito attivo che lega la purina (azzurra sulla destra) e vi aggiunge un gruppo idrossido OH. Questa delicata reazione è realizzata da un cofattore che contiene un atomo di molibdeno. Gli elettroni sottratti alla purina in questo processo vengono trasferiti attraverso una serie di complessi ferro-zolfo fino al capo opposto dell'enzima dove si trova un secondo sito attivo dove è presente una molecola di FAD che li trasferisce infine al NAD o all'ossigeno. Questo percorso è evidenziato nella figura qui a fianco e procede da destra verso sinistra.

Ruoli di Supporto
La xantina ossidoreduttasi si trova all'interno delle cellule dove svolge la sua funzione di degradare le purine. La xantina ossidoreduttasi è anche molto abbondante nel latte e per questo è un enzima tra i più studiati, perchè è molto facile da isolare e purificare. Si ritiene che nel latte svolga più funzioni. Reagendo con l'ossigeno rilascia acqua ossigenata, H2O2, una sostanza molto reattiva. Questo probabilmente conferisce al latte le sue proprietà antibatteriche. Svolge anche un ruolo essenziale stimolando la secrezione dei grassi nella ghiandola mammaria quando il latte viene prodotto. Stranamente questo ruolo sembra dipendere dalla interazione della xantina ossidoreduttasi con altre proteine nella membrana cellulare della ghiandola mammaria e non dall'attività catalitica dell'enzima.

Purine Dolorose
Gli inibitori della xantina ossidoreduttasi sono utili nel trattamento della gotta. La gotta è una malattia dolorosa nella quale si formano cristalli di acido urico nelle articolazioni (soprattutto nell'alluce) provocando un'infiammazione dolente. Le condizioni che portano alla gotta non sono ancora del tutto note, ma sembra che siano collegate con un alto livello di acido urico nel sangue. Questo, a sua volta, può essere provocato da una dieta troppo ricca di purine che comprende cibi come acciughe, sardine, aringhe, fegato, asparagi, funghi. Farmaci che bloccano la xantina ossidoreduttasi, come allopurinolo, riducono la produzione di acido urico e quindi ne riducono i livelli nel sangue.

Distruzione Totale
La maggior parte degli organismi ha anche altri enzimi che contribuiscono all'ulteriore distruzione delle purine. Molti organismi possiedono l'enzima urato ossidasi mostrato qui a destra (file PDB 1r4u).
Qualcuno possiede enzimi che alla fine producono allantoina, una molecola che è più solubile e facile da eliminare dell'acido urico.
Altri organismi si spingono ancora oltre e spezzano l'allantoina in ammoniaca e anidride carbonica.

Stranamente, le nostre cellule hanno una versione mutata e inattiva del gene che codifica per la urato ossidasi. Gli scienziati hanno postulato che questo gene sia mutato durante l'evoluzione per permetterci di invecchiare meglio. L'acido urico, infatti, è un potente antiossidante e livelli più alti di questo acido nel sangue, provocati dalla perdita dell'enzima urato ossidasi, possono averci aiutato a proteggerci dai danni dei radicali liberi man mano che la nostra vita si allungava.















Esplorando la Struttura

La xantina ossidoreduttasi contiene due enzimi in una sola catena proteica. Quando gli scienziati hanno cominciato a studiarla, hanno isolato una forma dell'enzima che utilizzava come ossidante il NAD e un'altra forma che invece utilizzava ossigeno O2. In un primo tempo hanno pensato che fossero due enzimi diversi e hanno dato loro due nomi: xantina deidrogenasi e xantina ossidasi. Poi, quando hanno determinato la sequenza di amminoacidi, hanno scoperto che, in realtà, si trattava dello stesso enzima. Le due forme potevano differire per due dettagli strutturali.
Primo, dato che ci sono molti ponti disolfuro nell'enzima, se questi sono integri, l'enzima agisce come ossidasi (O
2), se sono rotti, l'enzima agisce come deidrogenasi (NAD).
Secondo, l'enzima deidrogenasi può essere tagliato da una proteasi e convertito in modo permanente nella forma ossidasi.
Qui sopra è illustrato quest' ultimo caso: la forma intera, deidrogenasi, è mostrata sulla sinistra (file PDB 1fo4), mentre la forma troncata, ossidasi, è mostrata sulla destra (file PDB 1fiq).
Uno dei siti di taglio è mostrato in bianco con un asterisco nella figura di sinistra. Gli elettroni, provenienti dalla purina, dopo aver attraversato una piccola catena di trasporto di elettroni, giungono ad un gruppo FAD (azzurro) che poi li trasfersce al NAD.
Nella forma deidrogenasi a sinistra, il FAD (azzurro) può trasferire senza impedimenti gli elettroni al NAD.
Nella forma ossidasi, a destra, il tratto di catena rosa è stato tagliato e quindi il filamento rosso si è spostato e copre parzialmente il FAD (azzurro) e impedisce al NAD di legarsi, ma consente a molecole più piccole come l'ossigeno di avvicinarsi al FAD per accettare elettroni.

Negli archivi PDB ci sono molte altre strutture di xantina ossidoreduttasi che mostrano i dettagli dell'ancoraggio del ligando all'enzima. Per esempio la figura qui sotto, dal file PDB 1jrp, mostra il sito attivo dell'enzima che contiene un inibitore simile ad una purina (molecola colorata sulla destra) legato al cofattore molibdeno (grossa sfera verde al centro) a sua volta lagato ad un altro cofattore MPN (grande molecola colorata sulla sinistra), ed inoltre ad un atomo di ossigeno (rosso) e un atomo di zolfo (giallo).


Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1 - Il molibdeno è un elemento raro e viene utilizzato solo da pochi enzimi. Cercatene qualche altro esempio negli archivi PDB. Verificate se gli altri enzimi usano un cofattore simile a questo (MPN) per legare lo ione molibdeno.
2 - Il file PDB 3eub contiene la xantina ossidoreduttasi con il substrato xantina legato nel sito attivo. Come hanno fatto i ricercatori ad ottenere questa struttura impedendo che l'enzima agisse chimicamente sul suo substrato?

Bibliografia

R. Harrison (2004) Physiological roles of xanthine oxidoreductase. Drug Metabolism Reviews 36, 363-375.

M. A. Hediger, R. J. Johnson, H. Miyazaki and H. Endou (2005) Molecular physiology of urate transport. Physiology 20, 125-133.

R. Hille (2005) Molybdenum-containing hydroxylases. Archives of Biochemistry and Biophysics 433, 107-116.

T. Nishino, K. Okamoto, B. T. Eger, E. F. Pai and T. Nishino (2008) Mammalian xanthine oxidoreductase-mechanism of transition from xanthine dehydrogenase to xanthine oxidase. FEBS Journal 275, 3278-3289.