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

Ipoxantina-Guanina FosfoRibosil Trasferasi
(HGPRT)


Molecola del Mese di Luglio 2012
Parole chiave: recupero delle purine, terapia antimalarica, gotta, GMP

Introduzione

Le cellule sono grandi riciclatrici, altrimenti avrebbero continuamente bisogno di notevoli quantità di nuovi frammenti molecolari per ricostruire le molecole che degradano, e di tutta l'energia necessaria per gestirli.
Per esempio, le cellule sintetizzano continuamente nuove catene di RNA messaggero che portano l'informazione per la sintesi di nuove proteine dal nucleo ai ribosomi. Subito dopo averle utilizzate, le cellule rompono le catene di RNA messaggero e ne riciclano i componenti usando un insieme di enzimi specializzati nel recupero molecolare.





Recupero delle Purine

L'enzima ipoxantina-guanina fosforibosiltrasferasi (HGPRT) è uno degli enzimi centrali che riciclano i mattoni costitutivi di RNA e DNA. Lega una base purinica (guanina o ipoxantina, una forma modificata di adenina) ad uno zucchero (ribosio monofostato), creando un nucleotide. La struttura mostrata qui sopra (file PDB 1hmp) è quella dell'enzima umano, che è composto di quattro subunità identiche, ognuna col suo sito attivo. Questa struttura contiene anche i quattro nucleotidi che ha sintetizzato, guanosina monofosfato (rossi), appena prima che siano rilasciati per essere riutilizzati dalla cellula.

Pericoli delle Purine

Come in tutte le vie metaboliche, anche qui possono nascere seri problemi se vengono bloccati alcuni passi del processo.
Per esempio ci sono persone che ereditano una rara versione non funzionante di HGPRT, che porta ad una grave malattia chiamata sindrome di Lesch-Nyhan spesso mortale in età puberale. Poiché l'enzima è inattivo, si accumulano grandi quantità di basi puriniche che provocano gravi problemi neurologici, come una spinta compulsiva all'autolesionismo.
In altri casi, persone con una forma di HGPRT parzialmente funzionante hanno problemi di gotta perché le vie metaboliche per l'eliminazione delle purine in eccesso sono sovraccariche così queste molecole si accumulano nelle articolazioni.

Purine e Parassiti
L'enzima HGPRT è particolarmente importante per i parassiti che causano la malaria e altre malattie simili. Questi vivono all'interno delle cellule dell'ospite e hanno perso la capacità di sintetizzare le basi puriniche e quindi le prendono dalla cellula infettata. Questo li rende particolarmente sensibili ai farmaci che attaccano HGPRT. I ricercatori stanno usando strutture di HGPRT, come quella mostrata qui a fianco di Plasmodium falciparum (file PDB 1cjb), per creare nuovi farmaci contro la malaria, capaci di attaccare solo la forma malarica ma non quella umana dell'enzima.

Esplorando la Struttura
L'enzima HGPRT realizza la sua reazione in molti passaggi.
Prima lega una forma attivata dello zucchero e lega anche la base purinica.
Poi l'enzima lega tra loro le due molecole formando un nucleotide e rilasciando un gruppo difosfato.
Infine il nucleotide viene rilasciato nel passaggio più lento di tutto il processo.
I ricercatori hanno catturato strutture dell'enzima mentre realizza molti di questi passaggi.
Una grande ansa dell'enzima (azzurra) si apre e si chiude sul sito attivo durante la reazione.
Le figure seguenti illustrano queste fasi.



Qui sopra si vede il file PDB 1z7g che contiene l'enzima vuoto. Si nota che l'ansa flessibile (azzurra) è così flessibile da diventare non più visibile.



Qui sopra si vede il file PDB 1d6n che mostra l'enzima con lo zucchero e la base purinica legati nel sito attivo e bloccati anche dall'ansa flessibile (azzurra) che qui ha una posizione determinata e quindi è ben visibile. Qui sopra a destra si vedono i due legandi, lo zucchero è ribosio-5'-monofosfato-1'-difosfato con il difosfato legato in basso (posizione chiamata alfa). La base azotata è simile alla guanina, ma per non farla reagire è stato usato un suo analogo senza l'azoto (blu) in basso a sinistra nella posizione evidenziata dall'asterisco.



Qui sopra si vede il file PDB 1bzy che contiene l'enzima legato ad un analogo dello stato di transizione della reazione. L'ansa azzurra è ancora bloccata sul sito attivo. Qui sopra a destra si vede il legando, un analogo della guanosina-5'-monofosfato. Si notino (evidenziati da asterischi) il ribosio con l'azoto (blu) al posto dell'ossigeno (rosso), e la guanina senza il secondo azoto in basso sull'anello a cinque atomi. Inoltre si nota che la guanina si è legata sopra l'anello del ribosio (posizione beta), mentre il difosfato è uscito verso il basso dell'anello.



Infine qui sopra si vede il file PDB 1hmp che mostra l'enzima legato al prodotto finale prima che venga rilasciato.
Si nota che l'ansa azzurra si è scostata dal sito attivo. Qui sopra a destra si vede il legando, questa volta non è stato modificato, ma è veramente guanosina-5'-monofosfato (GMP). Si notino (evidenziati da asterischi) il ribosio col suo ossigeno (rosso) nell'anello, e la guanina con i due azoti (blu) al posto giusto sull'anello a 5 atomi.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Usate la funzione "Compare Structure" nella finestra "Tools" del sito PDB http://www.rcsb.org per sovrapporre e confrontare le strutture di HGPRT di cellule umane e malariche. Anche le immagini qui sopra sono state sovrapposte con questa funzione per mettere in evidenza il movimento del segmento azzurro.
Negli archivi PDB si trovano complessi di HGPRT con molti potenziali farmaci antimalaria. Confrontate la struttura di questi farmaci con quella dei substrati e dei prodotti naturali dell'enzima.

Bibliografia
R. J. Torres & J. G. Puig (2007) Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase (HPRT) deficiency: Lesch-Nyhan syndrome. Orphanet Journal of Rare Diseases 2, 48.
D. Voet & J. G. Voet (2011) Biochemistry, 4th Edition. J. Wiley & Sons, Hoboken, NJ.

Codici PDB Correlati
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