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

Dealogenasi


Molecola del Mese di Aprile 2018
I batteri possono distruggere gli inquinanti ambientali tossici che contengono cloro, bromo o iodio

Introduzione
Gli alogeni (fluoro, cloro, bromo e iodio) sono elementi indispensabili per la vita. Per esempio, gli ormoni della tiroide devono contenere atomi di iodio per funzionare correttamente. Gli ioni cloruro, che sono presenti nel sale da cucina (cloruro di sodio), hanno ruoli diversi nelle funzioni cellulari di base e nella trasmissione nervosa e sono trasportati nelle cellule da specifici canali per il cloruro (mdm 11-2015).
D'altra parte, le molecole che contengono alogeni sono reattive e talvolta possono essere pericolose. Alcuni composti alogenati prodotti industrialmente vengono usati come solventi (trielina, dicloroetano) o come pesticidi (DDT, mdm 8-2017). Sfortunatamente sono spesso tossici e cancerogeni e costituiscono un grave problema se vengono rilasciati come inquinanti nell'ambiente.


Bonifica ambientale
Molti batteri sono in grado di rendere innocui i composti alogenati usando un enzima dealogenasi per eliminare gli atomi di alogeno producendo molecole più semplici che possono essere ulteriormente degradate per ricavarne energia. Nell'immagine qui a lato è mostrata una dealogenasi riduttiva ottenuta dal file PDB 4ur0. Questo enzima offre un vantaggio ulteriore: usa la reazione che elimina il cloro per produrre energia in modo simile a come la citocromo c ossidasi usa l'ossigeno nella catena di trasporto degli elettroni. I ricercatori stanno studiando questi batteri per trovare un modo per bonificare le aree inquinate da composti alogenati.

Attrezzi molecolari
Questo enzima dealogenasi usa diversi strumenti molecolari per svolgere il suo compito. Nella reazione di riduzione deve fornire due elettroni per ogni atomo di cloro presente nella molecola alogenata che in questo caso è trielina. Gli elettroni giungono alla molecola attraverso una catena di trasporto composta da due gruppi ferro-zolfo (rossi e gialli nella figura qui sopra) che cedono gli elettroni ad un coenzima simile alla vitamina B12 (azzurra) che ha un atomo di cobalto al centro. L'enzima lega il composto alogenato, trielina (verde), nel sito attivo vicino all'atomo di cobalto, così fa arrivare alla molecola i sei elettroni necessari per la riduzione e sostituisce i tre atomi di cloro con atomi di idrogeno.

Idrolisi
Altre dealogenasi usano una molecola d'acqua per sostituire l'alogeno senza che questa reazione sia accoppiata alla produzione di energia. Qui sono mostrati due esempi che realizzano reazioni in successione per degradare piccole molecole come il dicloroetano.
Il primo enzima è una aloalcano dealogenasi (file PDB 2dhc) che rimuove il primo atomo di cloro (verde) e lo sostituisce con un ossidrile (OH rosso e bianco). Poi intervengono altri due enzimi (non mostrati) per ossidare l'alcol ad acido carbossilico.
Infine l'enzima aloacido dealogenasi (file PDB 1jud) rimuove il secondo atomo di cloro e lo sostituisce con un altro ossidrile.
















Esplorando la struttura
Nell'immagine qui a destra sono mostrate in sequenza tre strutture (file PDB 5m2g, 5m92, 5m8u) che rappresentano l'enzima dealogenasi riduttiva in tre momenti diversi mentre svolge la reazione di rimozione dei tre atomi di bromo da un composto bromurato, il tribromofenolo.
Il coenzima cobamide (ciano) aiuta a posizionare nel sito attivo la molecola di tribromofenolo avvicinando l'atomo di cobalto (grande sfera ciano) al gruppo ossidrile (rosso).
Nella figura qui sotto si vede che il posizionamento, in realtà, è aiutato anche da sei amminoacidi di triptofano e tirosina (in blu) che formano una gabbia apolare intorno al sito attivo che interagisce con gli atomi di alogeno.
Il tribromofenolo, nella parte alta delle due figure, è rappresentato con grosse sfere rosa per il bromo, rosse per l'ossigeno, bianche per il carbonio.
Più lontani, sulla sinistra si vedono i due gruppi ferro-zolfo formati da quattro atomi di ferro e quattro di zolfo (
Fe4S4) che fanno giungere gli elettroni fino al cobalto.












Spunti per ulteriori discussioni
Ci sono molte strutture di enzimi dealogenasi che contengono composti alogenati diversi. Scrivete "dehalogenases" nella finestra di ricerca del sito PDB per esplorarne la struttura.
Vi sono anche enzimi che aggiungono alogeni alle molecole. Scrivete "halogenases" nella finestra di ricerca per esplorarne alcuni.
Usate la pagina sui legandi per esplorare la struttura del coenzima cobamide e della vitamina B12
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Bibliografia
M Fincker & AM Spormann (2017) Biochemistry of reductive dehalogenation. Annual Review of Biochemistry 86, 357-386.
5m2g, 5m92, 5m8u: C Kunze, M Bommer, WR Hagen, M Uksa, H Dobbek, T Schubert & G Diekert (2017) Cobamide-mediated enzymatic reductive dehalogenation via long-range electron transfer. Nature Communications 8, 15858.
4ur0: M Bommer, C Kunze, J Fesseler, T Schubert, G Diekert & H Dobbek (2014) Structural basis for organohalide respiration. Science 346, 455-458.
1jud: T Hisano, Y Hata, T Fujii, JQ Liu, T Kurihara, N Esaki & K Soda (1996) Crystal structure of L-2-haloacid dehalogenase from Pseudomonas sp YL. An alpha/beta hydrolase structure that is different from the alpha/beta hydrolase fold. Journal of Biological Chemistry 271, 20322-20330.
DB Janssen, F Pries & JR van der Ploeg (1994) Genetics and biochemistry of dehalogenating enzymes. Annual Review of Microbiology 48, 163-191.
2dhc: KH Verschueren, F Seljee, HJ Rozeboom, KH Kalk & BW Dijkstra (1993) Crystallographic analysis of the catalytic mechanism of haloalkane dehalogenase. Nature 363, 693-698.