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

Cristalline


Molecola del Mese di luglio 2010
Parole chiave: Lenti dell'occhio, scambio di dominio, proteine moonlighting o proteine con doppia funzione

Introduzione
Mentre leggiamo queste righe, la luce proveniente dallo schermo viene messa a fuoco nei nostri occhi da una lente chiamata cristallino, che è costituito da una soluzione concentrata di proteine cristalline. Il cristallino è fatto di cellule allungate che, nelle fasi iniziali del loro sviluppo, si sono riempite di proteine cristalline e poi si sono lasciate morire espellendo il nucleo e i mitocondri e lasciando solo una soluzione liscia e trasparente di proteine. Da questo momento e per tutta la nostra vita utilizziamo queste proteine per vedere.

Chiarezza cristallina
Il nome, proteine cristalline, è del tutto inappropriato. Le proteine cristalline, infatti, sono state prodotte dall'evoluzione proprio per la loro capacità di non formare cristalli.
La lente dell'occhio è costituita da una soluzione molto concentrata che deve essere del tutto priva di cristalli o di piccoli aggregati che provocherebbero la diffusione della luce e renderebbero opaco il cristallino. Per realizzare questo obiettivo vengono utilizzate miscele di proteine cristalline diverse tra loro che, insieme, formano una soluzione amorfa simile al vetro.


Trasparenza dalla diversità
Le lenti dei nostri occhi contengono principalmente tre tipi di proteine cristalline (alfa, beta e gamma) che, insieme, costituiscono circa il 90% della fase proteica e sono illustrate qui sopra.
Le cristalline alfa sono le più comuni, ne esistono due varianti che hanno la catena proteica avvolta in modo leggermente diverso, alfaA e alfaB (file PDB 3L1E e 2WJ7). Le cristalline alfa si associano per formare un grande complesso sferico che contiene circa 40 catene. Queste grandi sfere si respingono tra loro e si distribuiscono in tutte le cellule della lente.
Le cristalline beta (file PDB 1BLB) formano anch'esse oligomeri che sono formati da due o sei catene uguali associate tra loro. Ci sono molte cristalline beta simili che si possono accoppiare e mescolare per formare un gran numero di oligomeri diversi.
Infine le cristalline gamma sono monomeriche (file PDB 4GCR) e servono come colla per legare delicatamente tra loro le cristalline alfa.

Proteine con una doppia funzione
Le cristalline alfa, beta e gamma si trovano nella maggior parte degli animali, ma sono affiancate da altre cristalline nei diversi animali. Spesso accade che queste proteine abbiano un'altra funzione in altri punti del corpo e fanno da cristalline solo come secondo lavoro. Qui ne sono illustrati tre esempi.
La cristallina delta delle anatre (file PDB 1HY1) fa anche da enzima argininosuccinato liasi.
La cristallina epsilon del toporagno elefante (file PDB 1O9J) è un enzima aldeide deidrogenasi che agisce sul retinale.
La cristallina lambda del topo (file PDB 3ADO) agisce come enzima L-gluconato 3-deidrogenasi.

Cataratta
Le proteine cristalline dell'occhio devono durare tutta la vita, quindi usano una tecnica molto efficace per proteggersi e restare inalterate nel tempo. La cristallina alfa agisce come chaperon (mdm 8/2002): se trova proteine srotolate o danneggiate le lega a sé prima che possano aggregarsi tra loro per formare complessi lattiginosi. Sfortunatamente, nonostante questa protezione, qualche proteina qua e là può danneggiarsi formando catene spezzate, srotolate od ossidate. Queste proteine danneggiate si accumulano con l'età e danno luogo ad aggregati opachi che portano alla cataratta.

Esplorando la struttura
La proprietà chiave delle proteine cristalline è la loro capacità di formare molti tipi diversi di complessi simili, così da creare un aggregato omogeneo e casuale quando si concentrano all'interno delle cellule del cristallino. L'indagine ai raggi X di queste proteine ha rivelato che possono flettersi per affacciarsi con domini diversi e formare così molti complessi diversi usando un numero relativamente piccolo di blocchi costruttivi.
La cristallina gamma mostrata qui a fianco (file PDB 4GCR) è formata da due domini che interagiscono tra loro connessi da un breve tratto flessibile.























La proteina cristallina beta mostrata qui a lato (file PDB 1BLB) ha i due domini separati da un tratto flessibile più lungo di catena, quindi può fare uno scambio di dominio con un'altra catena beta e realizzare tra due domini di catene diverse dei legami simili a quelli della cristallina gamma.





















Qui a lato è mostrata la cristallina alfa (file PDB 3L1E) che usa un meccanismo più complesso per creare grandi aggregati diversi tra loro. E' formata da un dominio ripiegato che ha prevalentemente una struttura beta pieghe (gialla) dal quale sporge una lunga coda flessibile (bianca).
Quando due cristalline alfa si legano tra loro per formare un dimero, la coda di una si lega in una tasca del dominio ripiegato dell'altra. Stranamente questa coda contiene un tratto palindromo, simmetrico, che quindi si può legare in due direzioni opposte nella tasca. Così si possono formare due dimeri diversi con le code legate in direzioni opposte. Le cristalline che li compongono hanno una conformazione lievemente diversa e vengono chiamate alfaA e alfaB.
Nelle figure qui sotto (file PDB 3L1E e 3L1G) sono mostrati questi due diversi accoppiamenti con la coda legata in direzioni opposte nella tasca della catena vicina.
A sinistra sono mostrate due cristalline alfaA, a destra due alfaB.













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Per formare aggregati più grandi, i domini ripiegati si possono affacciare tra loro in modi lievemente diversi, creando così ulteriori diversità. Ricordiamo che è proprio questa diversità che impedisce la formazione di cristalli.
A sinistra è illustrato un aggregato di quattro catene alfaA, a destra di quattro alfaB.

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Spunti per ulteriori approfondimenti

1 - Molte proteine usano scambi di domini per creare complessi stabili. Cercatene altri esempi negli archivi PDB.
(Suggerimento: molti autori usano il termine "domain swapping" nel titolo o negli abstracts)
2 - Cercate altre proteine che abbiano due o più funzioni diverse.

Bibliografia

1. K. K. Sharma and P. Santhoshkumar (2009) Lens aging: effects of crystallins. Biochimica et Biophysica Acta 1790, 1095-1108.

2. L. Takemoto and C. M. Sorensen (2008) Protein-protein interactions and lens transparency. Experimental Eye Research 87, 496-501.

3. H. Bloemendal, W. de Jong, R. Jaenicke, N. H. Lubsen, C. Slingsby and A. Tardieu (2004) Ageing and vision: structure, stability and function of lens crystallins. Progress in Biophysics and Molecular Biology 86, 407-485.