Dallo Scripps Research Institute un nuovo studio, questa volta l'oggetto della ricerca è la funzionalità di un enzima di E.coli, la ricerca mostra il particolare movimento che la struttura proteica deve eseguire per effettuare la sua corretta funzione. Lievi oscillazioni della durata di qualche millesimo di secondo hanno un enorme impatto sulla funzionalità di un enzima. Il blocco di tali movimenti, senza l'alterazione della struttura complessiva dell'enzima o di altre proprietà che lo caratterizzano, rende l'enzima difettoso nello svolgimento delle reazioni chimiche. Non bisogna pensare alle proteine come a delle strutture rigide, per fare un esempio pensiamo alle macchine, ci sono componenti rigide ma altre in grado di svolgere determinati movimenti per consentirne il funzionamento ottimale; stesso discorso vale per le proteine.
Il modello ezimatico in questione è l'enzima diidrofolato reduttasi (DHFR) del comune batterio Escherichia coli, che è stato utilizzato come modello per la comprensione di come gli enzimi catalizzano (provocano o accelerarano) reazioni chimiche. La maggior parte dei ceppi di E. coli sono innocui, ma alcuni possono essere coinvolti gravi problemi alla salute.
Le cellule batteriche non possono vivere senza il DHFR, infatti tale enzima è il bersaglio di molti antibiotici. Le cellule umane, in particolare le cellule in rapida divisione, utilizzano la DHFR, i farmaci che agiscono sulla versione umana, come il metotrexato, sono spesso utilizzati in chemioterapia.
L'enzima DHFR sprona la conversione di un composto chiamato diidrofolato (DHF) in una forma diversa, tetraidrofolato (THF), che è necessaria da parte delle cellule per la sintesi del DNA. Nella sua reazione chimica, DHFR utilizza un helper o un co-fattore, chiamato NADPH. Esso catalizza il trasferimento di un idruro (un ione negativo dell' idrogeno) dal NADPH al DHF per la produzione di THF. Precedenti studi hanno mostrato che i amminoacidi che circondano il sito attivo sono flessibili, e che uno dei cicli di reazione la proteina può adottare due diverse conformazioni durante il ciclo catalitico.
Fino ad ora, tuttavia, il significato di questi movimenti è rimasto oscuro.
Per il nuovo studio, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica di imaging nota come risonanza magnetica nucleare (NMR), in combinazione con la cristallografia a raggi X. A differenza della normale cristallografia a raggi X, una tecnica utilizzata per determinare la struttura delle proteine nei cristalli, i ricercaotri hanno sfruttato un metodo NMR che ha permesso agli scienziati di visualizzare i movimenti delle proteine in soluzione. La tecnica è in grado di catturare i movimenti delle proteine in un lasso di tempo che è rilevante per il funzionamento enzimatico, e che va nell'ordine dei millisecondi.
Per determinare l'importanza delle oscillazioni, l'obiettivo della squadra di ricerca è stato innanzitutto causare una mutazione nell'enzima DHFR che impediva ad una porzione flessibile nota come Met20 di muoversi. Per sapere quali amminoacidi cambiare, gli scienziati hanno confrontato la sequenza della proteina batterica DHFR con quella dell'enzima umano, in quanto nell' enzima umano la porzione Met20 è più rigida.
Quando gli scienziati hanno esaminato mediante cristallografia a raggi X l'enzima, hanno potuto vedere che la struttura dell'enzima mutante era quasi identica a quella enzima wild type. Tuttavia, l'analisi NMR ha rivelato che il ciclo Met20 e altre parti del sito attivo non erano più flessibili nel mutante.
L'enzima mutato ha trasferito lo ione idruro ad una velocità che era di 16 volte più lenta di quella dell'enzima wild-type, con una sostanziale perdita della funzionalità enzimatica.
In realtà si sapeva da tempo che le proteine eseguono dei piccoli movimenti fondamentali per la loro funzionalità ma questa è stata la prima dimostrazione fisica dell'importanza di tali movimenti.
Nell'enzima DHFR dell'E.coli i movimenti nel sito attivo aiutano a spingere il NADPH e il DHF vicini l'uno all'altro. Questa vicinanza lo rende il trasferimento di idruro da NAPDH più efficiente DHF. Se il sito attivo non può muoversi, le molecole non sono sufficientemente vicine l'uno all'altro per permettere alla reazione chimica di verificarsi.
Ciò potrebbe aprire nuove strade durante la progettazione di farmaci che inibiscano o aumentano la funzione enzimatica potrebbe facilitare la funzione dei farmaci. Ad esempio, poiché i movimenti nel DHFR batterica sono diversi da quelli nell'enzima umano, questa differenza potrebbe essere sfruttata per progettare farmaci che sono specifici per l'enzima batterico. "Potrebbe aiutare a ridurre i gravi effetti collaterali di farmaci che DHFR obiettivo".
Fonti: Science
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