Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato
Glucanosaccarasi

Molecola del Mese di Giugno 2011
Parole chiave: carie dentaria, glucano, biofilm, glicosil idrolasi 70, GH70, saccarosio, maltosio

Introduzione
Anche se ci laviamo i denti due volte al giorno con un dentifricio al fluoro, usiamo il colluttorio ed evitiamo i dolci, continuiamo ad avere problemi di carie ai denti. La carie è causata da batteri che si nutrono degli zuccheri che mangiamo, li fermentano e producono acidi. Questi acidi erodono i sali minerali che costituiscono lo smalto e le strutture più interne dei nostri denti. Con una normale igiene orale, dovrebbe essere facile spazzare via i batteri ed eliminarli definitivamente, in realtà la battaglia è molto più complessa perchè i batteri hanno messo a punto delle strategie per resistere.

Zuccheri Appiccicosi
I batteri che provocano la carie usano un enzima, la glucanosaccarasi, mostrata qui a destra (file PDB 3aic), per costruire catene lunghe e appiccicose di zuccheri chiamati glucani usando come materiale di partenza gli stessi zuccheri che introduciamo con il cibo. Questi glucani incollano i batteri alla superficie dei denti formando un biofilm che è difficile da rimuovere. I ricercatori stanno studiando la struttura di questo enzima per creare degli inibitori che ne blocchino l'azione e rendere più vulnerabili i batteri. Sperano così di sconfiggere il problema della carie dentaria che affligge milioni di persone nel mondo.

Glucani in Crescita
La glucanosaccarasi catalizza due reazioni.
Nella prima l'enzima cattura il saccarosio, un disaccaride, e lo taglia a metà formando glucosio e fruttosio, i due zuccheri che lo compongono.
Nella seconda, dopo aver rilasciato il fruttosio, l'enzima lega il glucosio alla catena di glucano in crescita.
La glucanosaccarasi è una grande proteina con molti domini. Queste reazioni vengono compiute nella parte centrale dell'enzima che è quella riportata qui. L'enzima però possiede anche altri domini che servono ad ancorarlo ad altre catene di glucano.



Identico, ma Diverso
Quando la sequenza di amminoacidi della glucanosaccarasi è stata confrontata con quella di altri enzimi noti che tagliano gli zuccheri, si è scoperto che è molto simile alla alfa-amilasi (Molecola del Mese 2_2006), ma la sequenza è permutata. Le porzioni all'inizio e alla fine della glucanosaccarasi si trovano, infatti, nel mezzo della catena della alfa-amilasi. Quando la struttura della glucanosaccarasi è stata risolta, si è confermata questa relazione tra i due enzimi: le strutture hanno un avvolgimento della catena molto simile, ma la sequenza di amminoacidi è permutata. Si può verificare questo fatto confrontando le due strutture mostrate qui sopra: sulla sinistra è illustrata la glucanosaccarasi , dal file PDB 3aie, sulla destra la alfa-amilasi, dal file PDB 1smd. Nella figura le catene sono evidenziate con colori che vanno dal rosso, dove inizia la catena (C), fino al blu, all'estremità opposta (N). Altri esempi di permutazione circolare di proteine si possono trovare nella Molecola del Mese di aprile 2010.


Esplorare la Struttura

Finora sono state risolte le strutture di due glucanosaccarasi di due batteri diversi, Streptococcus mutans, mostrata sopra, e Lactobacillus reuteri, mostrata qui. L'enzima di Lactobacillus è stato studiato in molti modi. Per esempio, è stata usata una forma mutata dell'enzima per rivelare la struttura del suo legame con il saccarosio. La mutazione inceppa l'enzima e gli impedisce di realizzare la reazione di scissione del saccarosio. Nella figura qui sotto a sinistra (file PDB 3hz3) il saccarosio è legato nel sito attivo dell'enzima mutato, si nota l'anello giallo del fruttosio e quello rosa del glucosio. Si notano anche due amminoacidi del sito attivo dell'enzima coinvolti nella reazione di scissione, l'acido glutammico 1063 (magenta) e l'acido aspartico 1025 (verde) quello responsabile dell'attacco nucleofilo al saccarosio.
Qui sotto a destra è mostrato il saccarosio da solo isolato da questa struttura 3hz3 (file PDB saccarosio). Si possono vedere meglio i due anelli: quello del glucosio (a 6 elementi) sulla sinistra e quello del fruttosio (a 5 elementi) sulla destra legati tra loro con un legame testa a testa: alfa sul glucosio, beta sul fruttosio.



E' stata anche risolta una struttura dell'enzima che lega due molecole di maltosio (figura seguente) per individuare dove viene legata la grossa catena di glucano (file PDB 3kll). Si nota che le due molecole di maltosio, ognuna costituita da due anelli di glucosio (rosa), occupano una posizione laterale nel sito attivo, distinta da quella occupata dal saccarosio nella figura precedente.
Qui sotto a destra è mostrato il maltosio da solo isolato da questa struttura 3kll (file PDB maltosio). Si possono vedere meglio i due anelli del glucosio (entrambi a 6 elementi) legati tra loro con legame alfa 1-4.



Nell'immagine seguente, ottenuta sovrapponendo le due strutture precedenti, si può vedere come si presenta l'enzima nel mezzo della reazione, quando il fruttosio è stato eliminato dal saccarosio, lasciando una molecola di glucosio (anello rosa più a destra in alto) pronta per essere incorporata nella catena di glucano (anelli rosa del maltosio a sinistra).



In questa sezione le immagini di sinistra sono state ottenute con Jmol, quelle di destra con ArgusLab e i file PDB citati nell'articolo.


Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1. Esaminando i complessi della glucanosaccarasi con zuccheri, troverete che ci sono altri siti oltre al sito attivo che legano altre molecole di zucchero. Pensate che questi abbiano un ruolo nel funzionamento dell'enzima oppure si tratta solo di artefatti sperimentali?
2. Provate ad usare la funzione "Compare Structures" nel sito PDB per esplorare la permutazione circolare della glucanosaccarasi e della alfa-amilasi



Bibliografia

1. K. Ito, S. Ito, T. Shimamura, S. Weyand, Y. Kawarasaki, T. Misaka, K. Abe, T. Kobayashi, A. D. Cameron and S. Iwata (2011) Crystal structure of glucansucrase from the dental caries pathogen Streptococcus mutans. Journal of Molecular Biology 408, 177-186.

2. A. Vujicic-Zagar, T. Pijning, S. Kralj, C. A. Lopez, W. Eeuwema, L. Dijkhuizen and B. W. Dijkstra (2010) Crystal structure of a 117 kDa glucansucrase fragment provides insight into evolution and product specificity of GH70 enzymes. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 107, 21406-21411.

3. J. D. B. Featherstone (2008) Dental caries: a dynamic disease process. Australian Dental Journal 53, 286-291.


Codici PDB Correlati con Glucanosaccarasi
Vedi le strutture correlate