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

Canali del Cloruro
controllati dal Glutammato


Molecola del Mese di Novembre 2015
Parole chiave: GluCL, recettore Cys-loop, trasmissione nervosa, cloruro controllato dal glutammato

Introduzione
La scienza medica è sempre alla ricerca del farmaco miracoloso: un antibiotico che uccida i patogeni senza provocare effetti collaterali nel nostro corpo. Il segreto sta nel trovare bersagli che esistano solo nei patogeni e poi nel trovare un farmaco che attacchi solo quelli. La penicillina, per esempio, attacca gli enzimi che costruiscono la parete batterica (mdm 5-2002) questi enzimi non esistono nel nostro corpo dato che abbiamo membrane cellulari del tutto diverse da quelle dei batteri. Le cose si complicano, però, quando dobbiamo combattere animali parassiti, perchè le loro cellule sono simili alle nostre.

Canali invertebrati
Molti invertebrati, come i vermi parassiti patogeni, utilizzano dei canali per il cloruro controllati dal glutammato che sono comuni in moti tipi di nervi sia motori che sensoriali. Quello mostrato qui, codice PDB 3rif, è un canale inibitorio di un verme cilindrico. E' composto di 5 catene proteiche identiche. La porzione superiore riconosce il neurotrasmettitore, glutammato, e quindi apre il canale che passa attraverso la membrana del nervo permettendo agli ioni cloruro di passare. Questi canali sono dei bersagli perfetti per gli antibiotici perchè le nostre cellule non li usano.

Paralizzare i Parassiti
Nel 2015 il premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia è stato vinto da due scienziati che hanno scoperto farmaci in grado di bloccare questi canali. Il farmaco ivermectina si lega al canale e lo blocca nello stato sempre aperto. Come si vede nella struttura mostrata qui sopra, il farmaco si lega tra le catene proteiche nella porzione che attraversa la membrana. I farmaci come l'ivermectina sono diventati armi indispensabili nella lotta contro le infezioni da vermi parassiti e sono largamente usati sia per curare le persone che gli animali.

Obiettivi sensibili
Dei canali simili controllati dal legando si trovano anche nelle cellule del nostro sistema nervoso per trasportare i diversi segnali motori e sensoriali. L'ivermectina non si lega fortemente a questi canali, che però sono comunque il bersaglio di molti altri farmaci e veleni. Due di questi sono mostrati qui a destra. L'etanolo, che assumiamo con le bevande alcoliche, è mostrato qui legato ad un canale batterico molto simile a quello delle nostre cellule (codice PDB 4hfe). Come l'ivermectina, si pensa che l'etanolo moduli l'apertura e la chiusura del canale legandosi tra le catene della porzione inserita nella membrana. La stricnina, invece, si lega nello stesso sito del neurotrasmettitore, bloccando così il segnale inibitorio e producendo, quindi, impulsi nervosi incontrollati e violente contrazioni muscolari che portano alla morte (codice PDB 3jad).



Esplorando la Struttura

I ricercatori sono riusciti ad ottenere le strutture tridimensionali di questi canali in stati diversi, rivelando come si aprono e si chiudono quando fissano il loro legando. Qui sopra a sinistra è mostrato un canale chiuso (PDB 4tnv). Cinque amminoacidi di leucina formano uno stretto anello al centro del canale che blocca il passaggio degli ioni. A destra, invece, è mostrato un canale che sta legando glutammato (giallo) e ivermectina (rossa) che trattengono le leucine più indietro e quindi tengono aperto il canale consentendo agli ioni cloruro di passare (PDB 3rif).


Passando il mouse sulle immagini qui sopra, possiamo trasformare la struttura chiusa (PDB 4tnv) in struttura aperta (PDB 3rif). In questo modo possiamo comprendere meglio come il legame della proteina con il glutammato e con ivermectina deformi la struttura trascinando all'indietro le 5 leucine che così aprono il canale e lasciano passare gli ioni cloruro.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Negli archivi PDB sono disponibili le strutture di molti altri canali simili a quelli esaminati qui. Provate a cercare "Cys-loop receptor" per vederne alcuni esempi.
Se cercate negli archivi PDB i canali del cloruro comandati dal glutammato, ne troverete molti che contengono cinque molecole di antibiotico nella porzione che fissa il legando. Perchè sono state incluse nella struttura?

Bibliografia
3jad: J. Du, W. Lu, S. Wu, Y. Cheng & E. Gouaux (2015) Glycine receptor mechanism elucidated by electron cryo-microscopy. Nature 526, 224-229.
4tnv: T. Althoff, R. E. Hibbs, S. Banerjee & E. Gouaux (2014) X-ray structures of GluCl in apo states reveal a gating mechanism of Cys-loop receptors. Nature 512, 333-337.
4hfe: L. Sauguet, R. J. Howard, L. Malherbe, U. S. Lee, P. J. Corringer, R. A. Harris & M. Delarue (2013) Structural basis for potentiation by alcohols and anaesthetics in a ligand-gated ion channel. Nature Communications 4, 1697.
A. J. Wolstenholme (2012) Glutamate-gated chloride channels. Journal of Biological Chemistry 287, 40232-40238.
3rif: R. E. Hibbs & E. Gouaux (2011) Principles of activation and permeation in an anion-selective Cys-loop receptor. Nature 474, 54-60.
L. M. Fox (2006) Ivermectin: uses and impact 20 years on. Current Opinion in Infectious Diseases 19, 588-593.