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

Fitasi


Molecola del Mese di Settembre 2018
La fitasi è usata dagli allevatori per mobilizzare i fosfati indigeribili nel mangime per animali

Introduzione
La disponibilità di fosfato spesso è un fattore limitante per la crescita di organismi che competono tra loro in uno stesso ecosistema e quindi le varie specie viventi hanno dovuto trovare strategie per ottenere fosfato in quantità sufficiente.
Noi, dal cibo, possiamo assimilare il fosfato legato ai nucleotidi o quello presente come ione fosfato inorganico.
Le piante ottengono il fosfato dal terreno e lo fissano in una strana molecola chiamata acido fitico o inositolo esakisfosfato. Si tratta di una molecola stabile che risulta indigeribile, a meno di non possedere l'enzima fitasi capace di idrolizzarlo, e questo causa non pochi problemi per l'allevamento del bestiame.


Fosfato nei mangimi
Al bestiame viene spesso dato cibo a base di vegetali come la soia che è ricca di acido fitico.
I bovini non hanno problemi perchè, nei loro molti stomaci, hanno batteri in grado di idrolizzare l'acido fitico rilasciando ioni fosfato che possono essere assimilati dall'animale.
I maiali e i polli, invece, hanno un solo stomaco e la maggior parte dell'acido fitico lo attraversa indigerito. Questo causa due problemi: gli animali hanno bisogno di un'altra fonte di fosfato per crescere, e inoltre l'acido fitico presente nelle loro deiezioni, se viene rilasciato nell'ambiente, può causare gravi problemi perchè fa crescere le alghe in modo incontrollato provocando l'eutrofia di fiumi e laghi. Per risolvere entrambi questi problemi, il mangime per animali è spesso addizionato con l'enzima fitasi che idrolizza l'acido fitico nello stomaco degli animali.


Fitasi
L'enzima fitasi esiste in molte forme, ma in generale è piccolo e stabile agli acidi e può liberare uno alla volta i gruppi fosfato dell'acido fitico. Come integratore alimentare si usano due forme diverse di fitasi, una ottenuta dai batteri mostrata qui sopra dal file PDB 1dkq, e una ricavata da una muffa che cresce sui cereali (Aspergillus niger) osservabile nel file PDB 1ihp. I biotecnologi stanno cercando di ingegnerizzare gli enzimi fitasi naturali per creare varianti più efficaci e più stabili al calore che possano essere usate su larga scala negli allevamenti.

Diverse forme di fitasi
Dato che vi sono organismi molti diversi tra loro che si nutrono di vegetali, è naturale che abbiano sviluppato molti tipi diversi di fitasi. I ricercatori le hanno classificate in quattro grandi categorie in base alla loro struttura.
Le fitasi acide all'istidina (HAPhy Histidine Acid Phytase, come la fitasi nostrata in alto, file PDB 1dkq) sono usate come integratori dei mangimi e hanno un'istidina che realizza la reazione di taglio del fosfato.
Le fitasi ad elica beta (BPPhy, Beta Propeller Phytase, file PDB 3amr) vengono chiamate così per la loro strana forma che ricorda l'elica di una nave ed è formata da un intreccio di strutture beta pieghe mostrate in giallo nelle figura qui sotto.
Le fitasi simili all'enzima tirosina proteica fosfatasi (PTPhy Protein Tyrosine Phytase, file PDB 3mmj) sono enzimi batterici che catalizzano la rimozione progressiva dei gruppi fosfato dall'acido fitico.
Infine, le fitasi acide porpora (PAPhy Purple Acid Phytase, file PDB 4kbp) contengono ioni metallici come Zn
2+ e Fe2+ che donano loro un color porpora. Lo Zn2+ contribuisce a legare il substrato mentre il Fe2+ lega lo ione idrossido che fa l'idrolisi.



Esplorando la struttura
La fitasi acida all'istidina di Escherichia coli mostrata qui sotto, file PDB 1dkq, usa una istidina (magenta) per realizzare la reazione di taglio del fosfato. L'istidina è aiutata da un acido aspartico (rosa) che le toglie un H+ e la rende nucleofila al momento dell'attacco. L'acido fitico possiede sei gruppi fosfato (rossi e arancione) e quindi ha almeno tre o quattro cariche negative. Per legarlo alla proteina serve quindi un gruppo di amminoacidi positivi, che sono ben visibili nell'immagine colorati in blu, si tratta di una lisina (sulla destra) e di tre arginine poste sopra e dietro l'acido fitico.
L'immagine qui sotto è tridimensionale e va osservata incrociando lo sguardo con la seguente procedura.
Mettete le mani a coppa 15 cm davanti ai vostri occhi e lasciate tra i palmi un foro attraverso cui guardare le immagini.
Mantenendo ferma la testa, trovate la posizione delle mani con la quale, guardando solo con l'occhio sinistro, vedete l'immagine di destra e guardando solo col destro, vedete l'immagine di sinistra.
Guardando con entrambi gli occhi, nel foro tra le mani vedrete l'immagine 3D della molecola.





Spunti per ulteriori approfondimenti
1 - si pensa che l'acido fitico svolga anche altri ruoli nella cellula, soprattutto a causa delle sue proprietà antiossidanti. La pagina dei legandi dell'inositolo esakisfosfato ha dei link a strutture dove questa molecola è legata ad altre proteine.
2 - Provate a cercare "inositol phosphate multikinase" nel sito PDB per vedere alcuni enzimi che sintetizzano acido fitico


Bibliografia
1 - Lei, X.G., Weaver, J.D., Mullaney, E., Ullah, A.H., Azain, M.J. (2013) Phytase, a new life for an "old" enzyme. Annual Review of Animal Bioscience 1: 283-309.
2 - 3mmj: Gruninger, R.J., Dobing, S., Smith, A.D., Bruder, L.M., Selinger, L.B., Wieden, H.J., Mosimann, S.C. (2012) Substrate binding in protein-tyrosine phosphatase-like inositol polyphosphatases. Journal of Biological Chemistry 287: 9722-9730.
3 - 3amr: Zeng, Y.F., Ko, T.P., Lai, H.L., Cheng, Y.S., Wu, T.H., Ma, Y., Chen, C.C., Yang, C.S., Cheng, K.J., Huang, C.H., Guo, R.T., Liu, J.R. (2011) Crystal structures of Bacillus alkaline phytase in complex with divalent metal ions and inositol hexasulfate Journal of Molecular Biology 409: 214-224.
4 - 1dkq: Lim, D., Golovan, S., Forsberg, C.W., Jia, Z. (2000) Crystal structures of Escherichia coli phytase and its complex with phytate. Nature Structural and Molecular Biology 7: 108-113.
5 - 4kbp: Klabunde, T., Strater, N., Frohlich, R., Witzel, H., Krebs, B. (1996) Mechanism of Fe(III)-Zn(II) purple acid phosphatase based on crystal structures. Journal of Molecular Biology 259: 737-748.