Gli amiloidi sono grumi di frammenti proteici che si uniscono per formare fibrille filamentose come le placche osservate nel cervello dei malati di Alzheimer. Molte di queste proteine ​​si legano a metalli come lo zinco, ma la struttura di queste proteine ​​legate al metallo è stata difficile da studiare. L'importanza di questi metalli per l'attività delle amiloidi rimane quindi una questione aperta, il che è tanto più sconcertante perché alcune amiloidi sono associate a malattie ma altre no.

Un team di chimici del MIT, lavorando con ricercatori dell'Università della California a San Francisco (UCSF) e della Syracuse University, ha ora decifrato la struttura di un'amiloide che si lega allo zinco. Il loro approccio, basato sulla risonanza magnetica nucleare (NMR), potrebbe anche essere usato per rivelare le strutture di ulteriori amiloidi legate al metallo.

"Anche se c'è stata molta alta risoluzione, lavoro strutturale a livello atomico su amiloidi mediante NMR allo stato solido, le persone non hanno davvero studiato gli aspetti legati al metallo, "dice Mei Hong, un professore di chimica del MIT e uno degli autori senior dell'articolo, che appare in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze la settimana del 29 maggio.

I ricercatori dell'UCSF e di Siracusa hanno progettato la proteina amiloide per catalizzare una reazione specifica:combinare anidride carbonica e acqua per formare bicarbonato. La struttura recentemente scoperta dell'amiloide fa luce su come la proteina svolga questa funzione e su come lo zinco aiuti nella catalisi della reazione.

William De Grado, un professore di chimica farmaceutica all'UCSF, è l'altro autore senior del documento. Lo studente laureato in MT Myungwoon Lee è l'autore principale del documento.

Determinazione della struttura

Mentre gli amiloidi sono spesso associati a malattie come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson, altri amiloidi hanno normali funzioni biologiche.

I ricercatori dell'UCSF e della Syracuse hanno segnalato per la prima volta la loro amiloide artificiale nel 2014. Il loro obiettivo era produrre una proteina legata al metallo molto semplice che potesse catalizzare una reazione chimica necessaria per la vita, nella speranza di dimostrare che tali semplici peptidi legati al metallo avrebbero potuto essere precursori degli enzimi moderni. In quel foglio, hanno dimostrato che il peptide, che consiste di sette amminoacidi legati a uno ione zinco, potrebbe catalizzare la conversione dell'anidride carbonica e dell'acqua in bicarbonato con la stessa efficienza dell'enzima anidrasi carbonica, che esegue questa reazione nelle cellule viventi e richiede anche zinco.

"È plausibile che peptidi molto piccoli che portano ioni metallici facciano chimica, e l'evoluzione delle attività enzimatiche potrebbe essere iniziata da questi piccoli peptidi, " dice Hong.

I ricercatori dell'UCSF hanno progettato il loro peptide in modo che il suo sito attivo, dove avviene la reazione chimica, imiterebbe quello dell'anidrasi carbonica, che ha uno ione zinco legato a tre catene dell'amminoacido istidina. Però, non conoscevano la struttura precisa delle fibrille formate dal loro peptide, ed è qui che sono entrati in gioco Hong e i suoi colleghi del MIT.

Per determinare la struttura, il team di ricerca ha utilizzato un duplice approccio basato sulla spettroscopia NMR e sulla bioinformatica, che è un metodo di utilizzo di algoritmi informatici per analizzare i dati biologici.

Usando la risonanza magnetica, i ricercatori hanno prima determinato che i peptidi formano una lunga catena di fibrille che consiste in strati di strutture chiamate foglietti beta. All'interno di ogni foglio beta, ogni filamento peptidico ha due istidine che possono interagire con il filamento successivo. Il loro obiettivo successivo era determinare come gli ioni di zinco si adattassero a questa struttura multistrato e multistrato.

L'NMR utilizza le proprietà magnetiche dei nuclei atomici per rivelare le strutture delle molecole che contengono quei nuclei. In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato la risonanza magnetica nucleare per analizzare i segnali degli atomi di azoto chiave nelle catene laterali dell'istidina che interagiscono con gli ioni di zinco. Confrontando questi segnali quando le amiloidi erano e non erano legate allo zinco, i ricercatori hanno determinato che metà delle istidine coordinano un atomo di zinco ciascuna, mentre l'altra metà interagisce con due atomi di zinco ciascuna. "L'alta concentrazione di istidine che fanno da ponte tra due ioni zinco è molto insolita, " dice Hong.

I ricercatori hanno anche utilizzato la risonanza magnetica nucleare per misurare gli angoli dei legami che consentono all'istidina di interagire con lo zinco, e poi ha usato la bioinformatica per determinare le possibili strutture coerenti con quelle configurazioni. Questo ha rivelato che un atomo di zinco si trova tra due filamenti di beta-amiloide, ed è legato a una catena laterale di istidina dall'alto e due dal basso. Questo forma una struttura tetraedrica in cui tre azoti istidinici mantengono lo zinco in posizione mentre un azoto istidinico rimane distaccato.

Catalisi precoce

L'azoto istidina non legato è libero di legarsi a una molecola di acqua, che è necessario per effettuare la reazione catalizzata dallo ione zinco. I collaboratori di Hong all'UCSF hanno precedentemente dimostrato che questo amiloide catalizza la formazione di bicarbonato a una velocità simile a quella dell'anidrasi carbonica, supportando la teoria che questo tipo di semplice amiloide potrebbe essere stato utilizzato dalle prime forme di vita per svolgere importanti reazioni.

Hong ha ora in programma di iniziare a studiare la struttura delle amiloidi legate al metallo coinvolte nelle malattie neurodegenerative. È stato dimostrato che gli amiloidi coinvolti nelle malattie di Parkinson e Alzheimer si legano agli ioni metallici, compreso zinco e rame, ma come questi metalli influenzino le malattie non è noto, né sono state determinate le loro strutture.

"Ci sono state alcune simulazioni di dinamica molecolare per indovinare come i metalli legano queste istidine, ma non c'è stata l'alta risoluzione, indagine a livello atomico della struttura di coordinamento, " dice Hong.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.