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

Metil-Coenzima M Reduttasi


Molecola del Mese di Novembre 2014
Parole chiave:
metano, metanobatteri, metanogenesi, produzione di metano, riscaldamento globale, enzimi al nichel

Introduzione
Gli archeobatteri metanogeni producono circa un miliardo di tonnellate di metano all'anno. Gli archeobatteri sono un gruppo di organismi procarioti unicellulari come i batteri, ma rispetto a questi, sono più antichi e primitivi e hanno una struttura e una biochimica così diversa da essere classificati in un regno a parte. Vivono in ambienti anaerobici come il fondo dei laghi e delle paludi o nell'apparato digerente dei ruminanti e dell'uomo. Si nutrono di molecole come anidride carbonica, metanolo, acido acetico che sono prodotte da batteri fermentanti e rilasciano metano come prodotto finale di scarto. Questo metano, dalle paludi, emerge gorgogliando come gas, ma viene prodotto anche nel nostro intestino, dal quale esce come un gas meno accettabile socialmente.

Sintesi del Metano
La maggior parte degli archea metanogeni trasforma il gas idrogeno e l'anidride carbonica in metano e acqua. Questa reazione richiede una serie di enzimi che progressivamente strappino atomi di ossigeno dal carbonio della CO2 e vi aggiungano idrogeno. L'enzima Metil-coenzima M reduttasi mostrato qui a fianco (file PDB 1mro) realizza l'ultima reazione di questo processo e rilascia metano. Si tratta di un grande complesso enzimatico costituito da due metà uguali ognuna formata da tre diverse catene. L'enzima ha due siti attivi uguali che si trovano in fondo a due profondi tunnel per proteggere la reazione dall'acqua circostante.

Vantaggi e Svantaggi della Produzione di Metano
I metanobatteri sono stati al centro dell'attenzione negli ultimi tempi perchè sono stati usati per convertire le sostanze organiche di scarto, come i liquami urbani e zootecnici, in biogas che può essere usato per il riscaldamento o per generare elettricità. Questa operazione si realizza nei digestori anaerobici che funzionano grazie all'azione di diversi tipi di batteri che appartengono essenzialmente a tre categorie, fermentanti, acetogenici e metanogeni, che degradano progressivamente le biomolecole dei liquami in composti più semplici e poi in biogas composto da metano e anidride carbonica.
I metanobatteri stanno suscitando interesse anche per la loro influenza sul riscaldamento globale. Infatti circa un terzo del metano che producono finisce nell'atmosfera dove contribuisce all'effetto serra dato che il metano assorbe la radiazione infrarossa anche più della CO
2.

Strumenti di Lavoro
La reazione realizzata dall'enzima metil-coenzima M reduttasi è difficile e richiede l'assistenza di alcune molecole davvero insolite. L'enzima contiene un cofattore specifico, chiamato F430, che assomiglia all'eme dell'emoglobina, ma ha al centro, al posto del ferro, un atomo di nichel (sfera magenta in figura), inoltre ha alcuni anelli in più e qualche doppio legame in meno. L'anello di F430 tiene in tensione il nichel in modo da renderlo più reattivo, questo è importante in questa reazione perchè il substrato metil-coenzima M è poco reattivo. La reazione è regolata in modo fine grazie all'intervento di alcuni amminoacidi modificati che circondano il sito attivo dell'enzima. Quattro amminoacidi possiedono un metile in più del normale (mostrato qui a lato con una sfera grigia), inoltre una glicina ha un atomo di zolfo (sfera gialla) al posto dell'ossigeno del carbossile.







Esplorando la Struttura

Le due immagini qui sopra ci danno un'idea della struttura dell'enzima prima della reazione (a sinistra) e dopo la reazione (a destra).
Prima della reazione (PDB 1mro a sinistra) l'enzima contiene i due cofattori M e B. Legato all'atomo di nichel di F430 (viola e magenta) vi è il coenzima M che porta il gruppo metile (cerchio tratteggiato) destinato a diventare metano , lì vicino vi è il coenzima B pronto a legarsi al coenzima M. L'enzima induce il distacco del metile CH
3 dallo zolfo (giallo) del coenzima M e lo trasforma in metano CH4 e poi lega tra loro i due coenzimi unendo i due atomi di zolfo (gialli).
Dopo la reazione (PDB 1hbm a destra) è ben visibile il legame disolfuro (due atomi gialli) che unisce i due coenzimi. La strana molecola legata dal ponte disolfuro viene poi usata dalla cellula per produrre energia.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
- Potete usare lo strumento Ligand Explorer nel sito PDB per vedere gli amminoacidi che tengono in posizione il fattore F430 e i due coenzimi
- Il nichel è relativamente raro negli enzimi, ma ogni tanto lo si trova in reazioni che coinvolgono piccole molecole gassose come il metano (in questo caso) o l'idrogeno (nella idrogenasi nichel-ferro mdm 3-2009). Molti batteri hanno proteine in grado di raccogliere ioni nichel dall'ambiente. Cerca "nickel transport" nel sito RCSB PDB per vedere alcune di queste proteine.


Bibliografia

U. Ermler (2005) On the mechanism of methyl-coenzyme M reductase. Dalton Transactions 2005, 3451-3458.

1hbm: W. Grabarse, F. Mahlert, E. C. Duin, M. Goubeaud, S. Shima, R. K. Thauer, V. Lamzin & U. Ermler (2001) On the mechanism of biological methane formation: structural evidence for conformational changes in methyl-coenzyme M reductase upon substrate binding. Journal of Molecular Biology 309, 315-330.

1mro: U. Ermler, W. Grabarse, S. Shima, M. Goubeaud & R. K. Thauer (1997) Crystal structure of methyl-coenzyme M reductase: the key enzyme of biological methane production. Science 278, 1457-1462.

Codici PDB Correlati
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