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Molecola del Mese di Settembre 2011
Legare N-acetiglucosammina alle proteine è un modo per regolarne
la funzione, ma consente anche di misurare i livelli di glucosio
 Introduzione
Le cellule hanno molti metodi per controllare le proteine,
e assicurarsi che svolgano il loro lavoro quando e dove è necessario.
Alcuni metodi sono brutalmente irreversibili, come la continua demolizione
delle proteine obsolete nel sistema ubiquitina-proteasoma
(mdm 12/2004). Altri, come la modulazione della funzione enzimatica con
movimenti allosterici, sono molto più sottili e si adattano istante
per istante alle necessità della cellula. Spesso vengono aggiunti
dei gruppi chimici agli amminoacidi di una proteina per modularne la funzione.
I gruppi fosfato sono quelli più noti, vengono usati per accendere
o spegnere le proteine di segnalazione e sono gestiti da un gran numero
di chinasi e fosfatasi che aggiungono o rimuovono questi gruppi fosfato
regolatori.
Aggiungi un po' di zucchero
Anche uno zucchero, N-acetilglucosammina
(GlcNAc o NAG), è molto usato per regolare la funzione proteica.
Viene aggiunto all'ossigeno alcolico di amminoacidi come serina
e treonina, spesso negli stessi punti dove vengono aggiunti i
gruppi fosfato. A differenza di questi, però i gruppi GlcNAc
vengono aggiunti a centinaia di proteine da un solo enzima, O-GlcNAc
transferasi, mostrata qui a fianco combinando insieme due strutture
parziali (file PDB 3pe4 e
1w3b).
Rilevare i nutrienti
L'enzima trasferisce lo zucchero prendendolo da
una molecola carrier, UDP-GlcNAc (UDP, Uridina di fosfato).
La N-acetilglucosammina (GlcNAc) è una forma modificata
di glucosio, e i livelli del carrier UDP-GlcNAc sono proporzionali
ai livelli di glucosio disponibile per la cellula, infatti dal 2
al 5% di tutto il glucosio è usato per sintetizzare UDP-GlcNAc.
Sfruttando questa correlazione, GlcNAc transferasi agisce come un sensore
di glucosio, modificando le proteine aggiungendovi GlcNAc quando
i livelli di glucosio sono alti e quindi attivando processi come la
segnalazione insulino-simile e la trascrizione di geni
coinvolti nel metabolismo del glucosio.
Trasferire lo zucchero
L'enzima GlcNAc transferasi è composto di
molte parti funzionali che lavorano insieme per realizzare la loro azione.
Una lunga sezione a forma di cavatappi, mostrata in basso nella figura
qui sopra (file PDB 1w3b), riconosce la
proteina che deve essere modificata, forse con l'aiuto di alcune proteine
accessorie. Il dominio catalitico, mostrato in alto (file PDB 3pe4
), allinea UDP-GlcNAc con una serina sulla proteina bersaglio e poi
trasferisce lo zucchero alla serina. Questa struttura contiene, oltre
all'enzima, anche un piccolo peptide (verde) che è un tratto
della proteina che deve essere modificata e inoltre contiene UDP (marrone,
quasi completamente nascosto dietro il peptide).
Rimuovere lo zucchero
Naturalmente, per controllare l'azione dell'enzima
O-GlcNAc transferasi, è indispensabile che esista un altro
enzima capace di rimuovere gli zuccheri e ristabilire la funzione
della proteina nativa. Questo enzima è O-GlcNAc-asi e
toglie gli zuccheri dalle catene proteiche modificate.
Qui sotto è mostrato l'enzima O-GlcNAc-asi batterico (file PDB
2cbj) che è molto simile a quello
umano ed ha la stessa funzione. Nel sito attivo è legato un analogo
della GlcNAc legata ad un composto aromatico.
. . . . . . . ..
Esplorando la struttura
La struttura completa dell'enzima O-GlcNAc transferasi
non è stata ottenuta direttamente, ma è stata ricostruita
combinando insieme tre diverse strutture, questo ci ha consentito di
esaminare nei dettagli come viene realizzata la reazione.
La prima struttura viene dal file PDB 3pe4
e contiene il dominio catalitico e parte del dominio di riconoscimento
della proteina, oltre ad un peptide e UDP legati nel sito attivo..
La seconda struttura viene dal file PDB 1w3b
che contiene la maggior parte del dominio di riconoscimento della proteina.
Per fortuna, c'è una piccola zona in comune tra le due strutture
che permette di sovrapporle con precisione per simulare la proteina
intera.
Infine, la terza struttura viene dal file PDB 2jlb
e ci è servita per vedere come è disposto lo zucchero
legato all'UDP-GlcNAc, si tratta della struttura di un enzima batterico
molto simile a quello umano.
Nelle tre immagini qui sotto si possono seguire le tappe di questa ricostruzione.
Qui a destra si vedono le prime due strutture assemblate
(3pe4 e 1w3b).
Si nota il peptide (verde) con l'amminoacido serina evidenziato
in giallo. La molecola di carrier UDP (rosa) non ha lo zucchero
legato. |
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In questa immagine si vede la terza struttura, si tratta
dell'enzima batterico 2jlb. Si vede
il carrier UDP (rosa) legato allo zucchero N-acetilglucosammina
GlcNAc (rosso) |
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Questa, infine, è la struttura composita risultante.
Lo zucchero GlcNAc (rosso) è stato aggiunto con il computer
nella stessa posizione che occupa nell'enzima batterico. |
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Spunti per ulteriori esplorazioni
1. Sono disponibili le strutture di molti altri
enzimi batterici simili alla GlcNAc-asi, per esempio nel file PDB 2chn.
Provate a sovrapporre tra loro queste strutture per cercare delle porzioni
simili usando l'opzione "Compare Structures" nel sito PDB.
2. I due enzimi O-GlcNAc transferasi e GlcNAc-asi sono stati usati
come bersagli nello sviluppo di nuovi farmaci a causa del loro ruolo nel
diabete. Negli archivi PDB ci sono molte strutture di questi enzimi legati
a inibitori, provate a cercarle e ad esaminare come l'inibitore si lega
all'enzima.
 Bibliografia
G. W Hart, M. P. Housley and C. Slawson (2007)
Cycling of O-linked beta-N-acetylglucosamine on nucleocytoplasmic proteins.
Nature 446, 1017-1022.
L. M. Gay, X. Zheng and D. M. F. van Allen (2011) O-GlcNAc transfer:
size matters. Nature Chemical Biology 7, 134-135.
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