I ricercatori risolvono un mistero vecchio di 50 anni: come l'acido rimuove l'acqua dalle proteine

Le proteine sono le macchine di una cellula e controllano tutti i processi vitali di un organismo, dalla crescita al metabolismo. La loro funzione dipende in gran parte dalla loro struttura spaziale. Le proteine sono avvolte da un guscio di molecole d'acqua che, a sua volta, contribuisce a determinarne la forma e la funzione. Finora, però, si sapeva poco dell'interazione precisa tra proteine, molecole d'acqua e ambiente. "Già nel 1974, Irwin Kuntz e Walter Kauzmann avevano ipotizzato che la diminuzione dei livelli di pH - in altre parole, l'aumento dell'acidificazione - alterasse il guscio di idratazione di una proteina. Tuttavia, non esistevano prove dirette di questa ipotesi", spiega il biochimico professor Panagiotis Kastritis della MLU.

In questo nuovo studio, il team di Kastritis ha utilizzato la microscopia elettronica criogenica ad alta risoluzione (cryo-EM) per studiare questo processo in dettaglio. Durante la crio-EM, le proteine vengono congelate e bombardate con un fascio di elettroni. Il segnale risultante può essere utilizzato per creare immagini estremamente dettagliate che possono essere combinate per produrre modelli 3D. Questo ha rivelato la struttura della proteina a livello di pochi atomi. I ricercatori hanno studiato la proteina apoferritina, che agisce come unità di stoccaggio del ferro nelle cellule. L'hanno osservata a sette diversi livelli di pH, da 9,0 (leggermente alcalino) a 3,5 (acido). Utilizzando la crio-EM, hanno mappato individualmente migliaia di molecole d'acqua e hanno seguito il loro comportamento all'aumentare dell'acidità. Gli esperimenti sono stati accompagnati da simulazioni al computer che hanno confermato il comportamento osservato.

"I nostri dati ci hanno permesso di tracciare il movimento di ogni singola molecola d'acqua e di osservare come si muoveva in risposta alle variazioni dei livelli di pH. Siamo rimasti sorpresi nel constatare l'esistenza di regole chiare: alcuni amminoacidi legano l'acqua, mentre altri la rilasciano. Non ci aspettavamo di vedere questo", afferma il dottor Ioannis Skalidis, che ha completato il suo dottorato di ricerca all'MLU e ora lavora come ricercatore all'Università di Utrecht. Il dottor Farzad Hamdi dell'MLU aggiunge: "Siamo il primo gruppo che è riuscito a fornire queste prove a questo livello di dettaglio meccanicistico. È vero, si tratta di una vecchia teoria, ma non c'erano prove dirette in tal senso".

Anche altri risultati sono sorprendentemente precisi: una proteina perde circa 100 molecole d'acqua per ogni unità di diminuzione del pH. I ricercatori sono riusciti persino a descrivere il comportamento dei singoli amminoacidi che compongono le proteine. Il glutammato e l'aspartato sono i primi a rilasciare le loro molecole d'acqua quando vengono acidificati. Gli altri conservano le molecole indipendentemente dal valore del pH, in modo da mantenere un nucleo interno stabile, costituito da circa il 40% del numero totale di molecole d'acqua, indipendentemente dal livello di pH.

Un'altra scoperta inaspettata: Quando i livelli di pH diminuiscono, non solo cambia l'involucro di idratazione dell'apoferritina, ma anche la posizione degli ioni di ferro legati. Questi si allontanano gradualmente dal loro sito di legame. Questa è la prova di un meccanismo strutturale attraverso il quale l'aumento dell'acidità può innescare il rilascio di ioni metallici dalle proteine - un processo che svolge un ruolo, ad esempio, nella regolazione del ferro cellulare.

Sono necessari altri studi per determinare se le regole identificate nello studio si applicano anche ad altre proteine. "Presumiamo che questo processo sia almeno simile per altre proteine. Queste conoscenze possono essere utilizzate per sviluppare proteine più stabili o più tolleranti al pH", afferma Kastritis. Ciò potrebbe contribuire a migliorare gli enzimi industriali o i sistemi di somministrazione di farmaci a base di proteine".

Lo studio è stato finanziato dall'Unione Europea, dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), dal Ministero federale della ricerca, della tecnologia e dello spazio (BMFTR) e dallo Stato della Sassonia-Anhalt.