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

ATPasi di Vacuolo


Molecola del Mese di Marzo 2018
Utilizza due motori molecolari rotanti, collegati tra loro, per pompare protoni attraverso la membrana

Introduzione
Gli acidi sono sostanze pericolose e corrosive solo se sono forti e molto concentrati, ma un'acidità attentamente controllata permette alle cellule di svolgere una varietà di compiti utili. Per esempio, queste usano speciali recettori per estrarre dal sangue molecole come le LDL (low density lipoproteins), le raccolgono all'interno di vescicole, e poi le rilasciano semplicemente acidificando la vescicola. I lisosomi usano l'ambiente acido per demolire più velocemente le molecole danneggiate o non più utili. L'acidità, talvolta, è utile anche all'esterno delle cellule. Per esempio, nello stomaco, l'ambiente acido favorisce l'azione dell'enzima proteolitico pepsina e le cellule delle ossa usano l'acido per demolire e rimodellare le nostre ossa che sono ricche di sali minerali.

Pompa protonica
Uno dei modi con cui le cellule controllano l'acidità è mediante l'utilizzo di pompe protoniche che aumentano la concentrazione di protoni (ioni idrogeno) in un compartimento. L'ATPasi di vacuolo (V-ATPasi) è una pompa protonica spinta da ATP composta di due motori rotanti come si vede nella figura qui a fianco ottenuta dal file PDB 5vox. La porzione in alto (in rosso e rosa) è un motore spinto da ATP che fa girare un asse (in viola) solidale con un secondo motore (in azzurro e magenta) che pompa protoni attraverso la membrana. Le altre catene proteiche (arancioni e gialle) tengono unito tutto il complesso e assicurano che la rotazione di un motore produca la rotazione dell'altro.

Regolare l'acidità
Naturalmente le cellule devono controllare queste pompe per assicurarsi che non producano un'acidità eccessiva. E' interessante notare che la V-ATPasi è regolata semplicemente spezzando a metà il complesso quando l'acidità necessaria è stata raggiunta. Il motore spinto da ATP viene separato dal motore che pompa protoni, arrestando il processo. Poi, quando è necessario, le due parti vengono riconnesse ed il pompaggio riprende.

Motori rotanti
Questi tipi di motori rotanti legati tra loro si sono rivelati molto efficienti e se ne conoscono diverse varietà.
L'enzima V-ATPasi si trova nelle cellule eucariote ed è usato per controllare l'acidità.
L'enzima ATP-sintasi (mdm 12-2005) si trova nei nostri mitocondri e anche nei batteri ed è usata per svolgere la funzione opposta: sintetizzare ATP sfruttando il flusso di protoni attraverso una membrana che separa due compartimenti con acidità molto diversa.
L'enzima V/A-ATPasi (file PDB 5gar) può svolgere entrambe le funzioni a seconda delle necessità: può agire sia come pompa protonica sia come generatore di ATP. E' interessante notare che alcune di queste pompe rotanti usano ioni sodio al posto dei protoni.

Esplorando la struttura
Gli enzimi V-ATPasi sono complesse macchine molecolari rotanti con molte parti mobili, per questo si sono rivelati molto difficili da studiare con la cristallografia a raggi X. Finora, la struttura più completa si è ottenuta con la microscopia crioelettronica. Le immagini mostrate qui a lato sono di lievito, i ricercatori hanno determinato la struttura dell'enzima in tre diversi stati rotazionali (file PDB 5vox, 5voy, 5voz). Nell'immagine qui a lato, la molecola è vista dal basso per evidenziare la rotazione della porzione cilindrica che pompa i protoni.
Nell'immagine animata qui sotto, invece, si vede che la porzione sferica in alto, formata da spicchi rossi e rosa, si deforma per azione dell'ATP e costringe a ruotare l'asse centrale viola che ruota solidale con la porzione cilindrica in basso. Questa, ruotando, pompa protoni attraverso la membrana. Le proteine fibrose gialle mantengono ferma, rispetto alla membrana, la porzione sferica in alto.



Spunti per ulteriori discussioni

Confronta il numero delle subunità nel cilindro azzurro della pompa protonica dei tre enzimi: V-ATPasi, V/A-ATPasi e ATP sintasi. Cosa si può dedurre a proposito del numero di protoni necessari per ogni ATP che viene demolito o costruito dall'enzima?
Sono state determinate le strutture ad alta risoluzione (fino al livello atomico) di molti dei frammenti che compongono V-ATPasi e queste sono poi state usate per definire i dettagli del modello a bassa risoluzione ottenuto dalla microscopia crioelettronica. Potete trovare questi frammenti ad alta risoluzione cercando negli archivi PDB "V-ATPase".

Bibliografia

5vox, 5voy, 5voz: J Zhao, K Beyrakhova, Y Liu, CP Alvarez, SA Bueler, L Xu, C Xu, MT Boniecki, V Kanelis, ZQ Luo, M Cygler & JL Rubinstein (2017) Molecular basis for the binding and modulation of V-ATPase by a bacterial effector protein. PLoS Pathogens 13, e1006394.

5gar: DG Schep, J Zhao & JL Rubinstein (2017) Models for the a subunits of the Thermus thermophilus V/A-ATPase and Saccharomyces cerevisiae V-ATPase enzymes by cryo-EM and evolutionary covariance. Proceedings of the National Academy of Science USA 113, 3245-3250.

5ara: A Zhou, A Rohou, DG Schep, JV Bason, MG Montgomery, JE Walker, N Grigorieff & JL Rubinstein (2015) Structure and conformational states of the bovine mitochondrial ATP synthase by cryo-EM. Elife 4, e10180.