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

Avvelenamento da Piombo


Molecola del Mese di Aprile 2016
Gli ioni piombo avvelenano le proteine del nostro corpo bloccando la loro normale funzione

Introduzione
Il piombo è un metallo pesante estraneo al nostro metabolismo, le nostre cellule non ne hanno alcun bisogno, anzi costituisce un pericolo costante per la salute. Il piombo è comune nell'ambiente e, dato che è facile da estrarre e modellare, è stato usato per secoli per costruire tubazioni, per realizzare smalti brillanti per vasi e pigmenti bianchi per vernici, per fabbricare suppellettili e proiettili. Sfortunatamente, quando gli ioni piombo entrano nel nostro corpo, si legano alle proteine al posto degli ioni metallici corretti compromettendo la loro funzione. Se vengono avvelenate le proteine del cervello o di altri organi, il risultato può essere mortale.









Bloccare la produzione di Eme
ALAD (acido 5-amminolevulinico deidratasi) è una delle proteine che possono essere avvelenate dal piombo. Realizza il primo passo nella sintesi dell'anello dell'eme e per catalizzare questa reazione ha bisogno di uno ione zinco. Nell'immagine qui sopra è mostrata la proteina ALAD avvelenata dal piombo (file PDB 1qnv), è composta di otto subunità evidenziate dai toni del blu, che contengono ioni piombo (sfere grigie) al posto di ioni zinco. L'enzima avvelenato è del tutto inattivo e così si blocca la sintesi di nuovi gruppi eme, questo porta all'anemia, uno dei più comuni sintomi dell'avvelenamento da piombo.

Avvelenamento da Piombo
Il piombo è un veleno subdolo perchè viene eliminato con difficoltà dall'organismo e quindi, anche se è assunto in dosi molto piccole, si accumula lentamente nel nostro corpo. Ci possono volere mesi per eliminarlo dalle proteine del sangue, ma persiste per anni nel cervello e per decine di anni nelle ossa. L'avvelenamento da piombo è particolarmente pericoloso per i bambini perchè le proteine coinvolte nello sviluppo del sistema nervoso centrale sono molto sensibili al piombo. Per eliminare ogni possibile esposizione al piombo, la maggior parte degli stati del mondo ha deciso di bandirlo da vernici e benzine. Gli avvelenamenti da piombo sono diventati più rari, ma occasionalmente tornano alla cronaca. Per esempio, in una città del Michigan ci sono stati molti casi perchè l'acqua prelevata dal fiume era acida e negli impianti idrici vi erano tubazioni al piombo.

Piombo e Calcio
Molte proteine di segnalazione usano livelli variabili di calcio per regolare le attività cellulari. Il piombo avvelena queste proteine legandosi nel sito di legame del calcio riducendo così la loro sensibilità ai livelli di calcio. Qui sono mostrati due esempi di proteine di segnalazione che a sinistra legano i normali ioni calcio (sfere verdi), mentre a destra sono avvelenate da ioni piombo (sfere grigie).
Qui a fianco è illustrata la proteina chinasi C che ha un piccolo dominio che usa due ioni calcio per ancorarsi alla membrana cellulare ed attivare un sistema di segnalazione. (file PDB 1dsy, 3twy).




Qui a fianco è mostrata la calmodulina (mdm 8-2003) che cattura quattro ioni calcio per trasformarsi nella forma attiva. Se confrontate le strutture normali sulla sinistra con quelle avvelenate sulla destra, osserverete che il piombo occupa non solo i siti di legame del calcio, ma si lega anche in altri siti della proteina (file PDB 1exr, 2v01).












Esplorando la Struttura
Gli enzimi usano speciali combinazioni di amminoacidi per catturare gli ioni zinco e calcio. In ALAD vi sono tre amminoacidi cisteina disposti a triangolo per legare gli ioni zinco, mentre proteine come la calmodulina usano amminoacidi acidi per catturare gli ioni calcio. Il piombo è meno selettivo di questi due ioni e così si può legare ad entrambi i siti.
Nelle immagini qui sotto si può vedere come cambia il sito attivo quando al posto dello zinco sono legati metalli pesanti come piombo o mercurio.
In questa prima immagine si vede l'enzima ALAD che lega lo zinco (verde) usando gli atomi di zolfo (gialli) di tre cisteine (file PDB 1ylv).
Osservate che lo zinco si inserisce alla perfezione in questa struttura.
Si noti che, sotto lo zinco, è presente una lisina (amminoacido basico che termina con un azoto blu) che sta legando una molecola precursore della sintesi dell'eme (rosa).



























In questa seconda immagine (file PDB 1qnv), al posto dello zinco è legato piombo (grigio).
Le sue dimensioni sono maggiori di quelle dello zinco e quindi sporge sotto le tre cisteine spingendo in basso la catena sottostante che quindi impedisce alla lisina di legare i precursori dell'eme. Per questo l'enzima avvelenato con piombo è inattivo .
Passando sull'immagine col cursore del mouse si può vedere la proteina con lo zinco legato per confrontare meglio le due strutture.

























In questa terza immagine si può vedere l'enzima ALAD avvelenato con mercurio (file PDB 1qml). Anche questo metallo ha dimensioni più grandi dello zinco e deforma il sito attivo inattivando l'enzima.
Passando col mouse sull'immagine compare la proteina con lo zinco legato per confrontare meglio le due strutture.

























Spunti per ulteriori esplorazioni

Negli archivi PDB ci sono decine di proteine legate al piombo. Provate a consultare la pagina Ligand Summary per avere un aiuto nel trovarle.
Potete anche trovare metalloproteine sensibili all'avvelenamento da piombo usando la pagina Ligand Summary per il calcio e lo zinco

Bibliografia

3twy: K. A. Morales, M. Lasagna, A. V. Gribenko, Y. Yoon, G. D. Reinhart, J. C. Lee, W. Cho, P. Li & T. I. Igumenova (2011) Pb2+ as modulator of protein-membrane interactions. Journal of the American Chemical Society 133, 10599-10611.

2v01: P. Kursula & V. Majava (2007) A structural insight into lead neurotoxicity and calmodulin activation by heavy metals. Acta Crystallographica F63, 653-656.

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1ylv: P. T. Erskine, R. Newbold, J. Roper, A. Coker, M. J. Warren, P. M. Shoolingin-Jordan, S. P. Wood & J. B. Cooper (1999) The Schiff base complex of yeast 5-aminolaevulinic acid dehydratase with laevulinic acid. Protein Science 8, 1250-1256.

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M. J. Warren, J. B. Cooper, S. P. Wood & P. M. Shoolingin-Jordan (1998) Lead poisoning, haem synthesis and 5-aminolaevulinic acid dehydratase. Trends in Biochemical Sciences 23, 217-221.