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

Canale dell'Urea
controllato dai protoni


Molecola del Mese di Febbraio 2013
Parole chiave: Helicobacter pylori, gastrite, ulcera gastrica, adenocarcinoma gastrico, urea, ureasi

Introduzione
L'acido cloridrico dello stomaco ci aiuta a digerire, ma soprattutto uccide i batteri presenti nel cibo e quindi ci protegge dalle infezioni. C'è però un batterio, Helicobacter Pylori, che è capace di sopravvivere nell'ambiente acido del nostro stomaco ed è la causa di una delle infezioni batteriche più diffuse che colpisce circa metà della popolazione mondiale. Questa infezione provoca la gastrite, un'infiammazione cronica della mucosa gastrica, che può portare all'ulcera ed aumenta il rischio di cancro allo stomaco.

Acidi e Basi
Sorprendentemente, quando Helicobacter Pylori cresce in coltura, non sopporta l'ambiente acido, a meno che non gli venga data anche urea. Si è così capito che il batterio usa l'urea, che si trova in piccole quantità nello stomaco, per neutralizzare l'acido cloridrico che penetra nella sua cellula. Due proteine lavorano insieme in questo processo.
La prima, mostrata qui a destra (codice PDB 3ux4), è un canale per l'urea controllato dai protoni che si apre quando l'ambiente diventa acido e consente alle molecole di urea di entrare nella cellula.
La seconda, descritta più sotto, è l'enzima ureasi che, all'interno della cellula, rompe l'urea formando anidride carbonica e ammoniaca che neutralizza l'acido cloridrico.


Aperto e Chiuso
Il canale dell'urea controllato dai protoni si apre a pH inferiori a 5,5 - 6,5. Il canale è composto da sei subunità identiche, unite in una struttura esagonale, ognuna con un suo canale al centro. La struttura cristallografica 3ux4 mostrata qui sopra, contiene anche dei lipidi, evidenziati in verde, che chiudono lo spazio al centro dell'esagono. Questi assicurano che gli unici passaggi attraverso la membrana siano i canali al centro di ogni subunità, visibili in figura come fori più scuri.




Ureasi

Helicobacter Pylori sintetizza grandi quantità di enzima ureasi, che costituise circa il 15% di tutte le sue proteine. Questa ureasi è il grande complesso enzimatico mostrato qui a fianco (codice PDB 1e9y). E' formata da due subunità diverse (blu e azzurra) ripetute dodici volte In ognuno dei dodici siti attivi del complesso sono presenti due atomi di nichel per aiutare la reazione di idrolisi dell'urea.

















Esplorando la Struttura
L'infezione da Helicobacter Pylori è difficile da combattere e richiede un lungo trattamento con antiacidi e antibiotici. I ricercatori stanno usando la struttura di queste due proteine per progettare nuovi farmaci contro questo microrganismo. Il canale dell'urea controllato dai protoni è un bersaglio ideale per un farmaco perchè è una proteina prodotta solo da questo batterio. Esaminando in dettaglio la struttura, i ricercatori hanno cercato di scoprire come può essere così sensibile agli acidi e come può far passare in modo selettivo solo urea.



In queste prime due immagini si vede la proteina rappresentata con la sua sola catena principale. A sinistra si vedono le sei subunità disposte ad esagono. Nella figura di destra la proteina è vista di fianco e si può apprezzare la profondità dei canali.



In questo secondo gruppo di immagini si vedono, in fucsia, gli amminoacidi responsabili della selettività verso l'urea. Nella figura di destra si vede che questi si trovano al centro di ogni canale.



In questo terzo gruppo di immagini si vedono, in rosso, gli amminoacidi responsabili della apertura e chiusura dei canali in dipendenza del pH. A pH basico (maggiore di 6,5) i canali si chiudono a causa dei legami salini tra amminoacidi basici come lisina e istidina (con carica positiva) e amminoacidi acidi come acido aspartico e glutammico (con carica negativa). A pH acido (minore di 5,5) i canali si aprono perchè l'istidina perde la carica positiva sotto pH 6, e gli acidi aspartico e glutammico perdono la carica negativa sotto pH 4. Nell'immagine di destra, vista di fianco, si nota che questi amminoacidi si trovano all'imboccatura dei canali.



In questa quarta serie di immagini si vede la proteina nel suo insieme completa di filtri per l'urea (fucsia) al centro dei canali, di amminoacidi sensibili al pH (rossi) che aprono e chiudono i canali, e infine di lipidi (verdi) al centro della struttura ad esagono per sigillare il foro centrale.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1) negli archivi PDB ci sono molte altre proteine di Helicobacter Pylori inclusa una proteina sensibile agli acidi (codice PDB 3ub7)
2) negli archivi PDB ci sono molti trasportatori di urea tra i quali ce n'è uno che assomiglia a quello che abbiamo nei nostri reni

Bibliografia
D. Strugatsky, R. McNulty, K. Munson, C.-K. Chen, S. M. Soltis, G. Sachs & H. Luecke (2012) Structure of the proton-gated urea channel from the gastric pathogen Helicobacter pylori Nature 493, 255-258.
G. Sachs, D. L. Weeks, K. Melchers & D. R. Scott (2003) The gastric biology of Helicobacter pylori. Annual Review of Physiology 65, 349-369.
S. Suerbaum & P. Michetti (2002) Helicobacter pylori infection. New England Journal of Medicine 347, 1175-1186.
D. L. Weeks & G. Sachs (2001) Sites of pH regulation of the urea channel of Helicobacter pylori. Molecular Microbiology 40, 1249-1259.

Codici PDB Correlati
Vedi le strutture correlate