Molecola del Mese di Gennaio 2011
Parole chiave: ossido nitrico, segnalazione cellulare, eme, guanilato
ciclasi, cGMP, calmodulina
 Introduzione
La nitroglicerina è un potente esplosivo che scoppia quando
è sottoposto a pressione o riscaldamento. La stessa molecola, però,
può salvare la vita in caso di infarto. Una piccola dose di nitroglicerina,
infatti, si decompone lentamente liberando ossido nitrico (NO) che poi
diffonde fino alle cellule muscolari che circondano i vasi sanguigni e
ne provoca il rilassamento. Questo produce una vasodilatazione che migliora
il flusso sanguigno. Le proprietà terapeutiche della nitroglicerina
sono note da più di un secolo, ma solo recentemente gli scienziati
hanno scoperto il meccanismo d'azione dell'ossido nitrico.
 NO
Problem
L'ossido nitrico è un gas incolore
molto reattivo perche è un radicale libero, la sua molecola
(NO) è formata da un atomo di azoto legato ad un atomo
di ossigeno (figura qui a destra). Nel nostro corpo viene usato per
due scopi diversi, per trasmettere un segnale o come sostanza tossica
di difesa.
Quello che agisce da messaggero viene prodotto in continuazione a bassi
livelli dalle cellule e controlla la contrazione delle cellule muscolari
e la crescita delle cellule nervose. L'ossido nitrico è particolarmente
efficace come messaggero: diffonde rapidamente perché la sua
molecola è molto piccola e apolare, ma rimane abbastanza localizzato
perché è molto reattivo e viene distrutto rapidamente.
L'ossido nitrico può anche agire come sostanza tossica grazie
alla sua grande reattività. I macrofagi, cellule del sistema
immunitario, lo utilizzano per uccidere i patogeni insieme con altri
composti reattivi dell'ossigeno.
NOS
Le cellule animali producono tre tipi di ossido
nitrico sintasi (NOS) che generano ossido nitrico per le diverse
funzioni.
La NOS neuronale (mostrata qui) e la NOS endoteliale producono
continuamente bassi livelli di NO che agisce rispettivamente
come neurotrasmettitore e come vasodilatatore.
La NOS inducibile, invece, produce maggiori quantità
di NO che risultano tossiche e servono per combattere i patogeni.
Tutti e tre questi enzimi sono complessi e sono composti di molte subunità
che svolgono funzioni diverse. I ricercatori sono riusciti a determinarne
la struttura scomponendoli nelle singole parti.
La subunità che si trova in alto (chiamata subunità
ossidante) produce NO con l'aiuto di un gruppo eme
(rosa) che aggiunge un atomo di ossigeno, proveniente da O2,
all'azoto in catena laterale di un amminoacido di arginina (gialla)
che viene trasformata in citrullina.
Questa è stata la prima subunità ad essere studiata con
la cristallografia ed è stata determinata dapprima su una NOS
inducibile (codice PDB 1nod) e in un
secondo momento su una NOS neuronale come quella mostrata qui (codice
PDB 1om4).
La subunità in basso (codice PDB 1tll)
(chiamata subunità riducente) dona elettroni a quella
in alto e contiene coenzimi riducenti come NADPH, FAD, FMN (mostrati
in lilla).
Il breve segmento che unisce le due subunità (azzurro) è
legato alla calmodulina
(mostrata in verde chiaro e verde scuro) (codice PDB
2o60) che controlla il flusso di elettroni.
Dire NO
Nel caso della NOS endoteliale, il messaggio
portato da NO è ricevuto dall'enzima guanilato ciclasi
solubile, un enzima complesso che inizia una catena di eventi a
cascata all'interno della cellula. Quando si lega ad una molecola di
NO, l'enzima si attiva e trasforma GTP in GTP ciclico (cGTP).
Questa molecola agisce quindi come secondo messaggero attivando delle
chinasi che a loro volta fosforilano la miosina provocando
il rilassamento delle cellule muscolari.
Come NOS, anche la guanilato ciclasi solubile (a lato) è
un enzima complesso formato da molti domini che è stato studiato
per parti dai cristallografi.
La porzione che lega NO è mostrata in alto (codice PDB
2o0c) dove si vede un gruppo eme
(rosa) che lega l'ossido nitrico (azzurro e rosso al centro dell'eme).
La porzione ciclasi è mostrata in basso (codice PDB 3et6)
e vi sono poi molti altri domini che legano queste due parti (codici
PDB 3hls e 2p04).
Nella figura qui sotto è mostrato il dettaglio del legame tra
NO ed eme. L'ossido nitrico (azoto azzurro e ossigeno rosso) si lega
obliquamente all'atomo di ferro (arancione) che si trova al centro dell'eme.
La catena proteica è mostrata in viola.
Esploriamo la Struttura
Le tre isoforme di NOS sono molto simili e quindi
i ricercatori stanno cercando di sfruttare alcune piccole differenze
per creare un farmaco che ne blocchi una senza influenzare le altre
due. Questo sarà molto utile per curare alcune malattie, per
esempio la iNOS, ossido nitrico sintasi inducibile, ha un ruolo
chiave nello sviluppo del morbo di Parkinson e in quello di Alzheimer
e anche nella sclerosi multipla, quindi farmaci in grado di bloccare
la iNOS, ma non le altre due, potrebbero aiutare nel trattamento di
queste malattie.
Purtroppo, però, i siti attivi delle tre isoforme di NOS sono
praticamente identici e quindi i ricercatori stanno sintetizzando dei
farmaci più grandi che arrivino ad interagire anche con altri
punti dell'enzima dove si manifesta una differenza.
Nelle due figure qui sotto potete vedere a sinistra il normale
sito catalitico di una NOS neuronale (1om4)
che contiene una molecola di arginina (piccole sfere) che ha
gli atomi di azoto (azzurro) vicini al ferro (giallo) sopra l'eme dove
sta per giungere una molecola di O2
per la sintesi di NO.
A destra è mostrato il sito attivo quasi identico di una
NOS inducibile (3e7t) con un farmaco
inibitore che ha occupato lo spazio normalmente destinato all'arginina
e quindi impedisce la sintesi di NO.
 
Per comparare le strutture dei siti catalitici della NOS inducibile
(codice PDB 1nod), della NOS endoteliale
(codice PDB 2nse), della NOS neuronale
(codice PDB 1om4) con quello di una NOS
inducibile che ha un farmaco inibitore legato nel sito attivo (codice
PDB 3e7t), esaminate queste strutture
con CHIME (vedi chimica
al computer) o con Jmol.
Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1. La ossido nitrico sintasi è anche presente
in alcuni batteri. Confrontate le strutture degli enzimi batterici con
quelli di mammifero usando lo strumento "Structure Comparison"
nel sito PDB
2. Negli archivi PDB si trovano le strutture di molti farmaci sperimentali
legati al sito attivo di NOS. Usate lo strumento "Ligand Explorer"
per esaminare le interazioni di questi farmaci con l'enzima e con cofattori
nell'enzima.
Bibliografia
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Codici PDB Correlati con NOS
Vedi
le strutture correlate
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