Scienziate che potrebbero vincere il Premio Nobel: Judith Pollock Klinman (1941- )

Rinaldo Cervellati

Come ricordato nel precedente post, quando Darleane Hoffman si trasferì da Los Alamos all’University College a Berkeley nel 1984, trovò una sola altra donna docente all’UC, Judith Klinman, 15 anni più giovane di lei. Klinman è infatti nata il 7 aprile 1941, quindi ha festeggiato da poco il settantasettesimo compleanno.

Judith Pollock Klinman

Ottenuto il B.A. nel 1962 e poi il Ph.D. in chimica fisica organica nel 1966 all’Università della Pennsylvania, Klinman ha svolto ricerche come post-doc per un anno al Weizman Institute of Science in Israele, poi è stata ricercatore all’Institute of Cancer Research di Filadelfia (Pennsylvania) fino al 1978 quando è entrata a far parte dello staff dell’University College a Berkeley (California)[1].

All’inizio della sua carriera, sviluppò l’uso della sostituzione isotopica negli studi cinetici sulla catalisi enzimatica, mostrando come i composti marcati possano essere utili per verificare ipotesi sui meccanismi di reazione, per determinare ordini e costanti di velocità, nonchè per ottenere costanti di dissociazione del substrato.

Ben presto attorno a Kliman si formò un gruppo di ricerca che continua a dare contributi fondamentali in enzimologia.

Judith Klinman 1990 ca

Nel 1990, Kliman e il suo gruppo scoprì la presenza della neurotossina 6-idrossidopa chinone (TPQ) nel sito attivo di una ammino ossidasi contenente rame nel plasma bovino, superando anni di speculazioni errate riguardo la natura della struttura del sito attivo e aprendo il campo di ricerca sui cofattori derivati da proteine [1].

Il lavoro successivo del gruppo ha dimostrato che la proteina lisilossidasi extracellulare, responsabile del legame incrociato fra collagene ed elastina, contiene una variante reticolata di lisina del TPQ [2]. Dagli anni ’90, gli studi cinetici di Klinman sulle reazioni enzimatiche hanno dimostrato anomalie che implicano il tunnelling quantistico dell’idrogeno nelle reazioni di attivazione dell’idrogeno catalizzate da enzimi [3]. Al momento attuale vi è una scarsità di informazioni riguardanti i profili delle barriere di energia potenziale ai siti attivi degli enzimi, così come il contributo delle dinamiche proteiche ai processi di allentamento del legame. Un approccio estremamente valido per affrontare questi problemi, è appunto il rilevamento e la quantificazione del tunneling dell’idrogeno nelle reazioni enzimatiche. Il gruppo Klinman ha accumulato prove che il tunneling quantomeccanico a temperatura ambiente si verifica in moltissime reazioni enzimatiche.

H tunneling, Me transfer and protein dynamics

Un trattamento quantitativo dei dati fornisce informazioni sul ruolo dei movimenti di proteine ​​/ atomi pesanti nel promuovere l’attivazione del legame C-H attraverso un processo di tunneling [4].

Inoltre, l’uso di mutagenesi sito-specifica e scambio H / D, insieme a proteine ​​omologhe provenienti da nicchie di temperatura, sta rendendo possibile affrontare il modo in cui le interazioni di legame substrato-proteina e le dinamiche proteiche influenzano l’efficienza del processo di tunneling.

Negli ultimi anni è stato sviluppato un set unico di sonde sperimentali per determinare il meccanismo di attivazione dell’ossigeno. Queste sonde stanno iniziando a far luce su come le proteine possono ridurre l’O2 a intermedi radicali liberi, evitando nel contempo il danno ossidativo cellulare.

Schema attivazione ossigeno [5]

Fino a poco tempo fa, si pensava che la maggior parte dei cofattori enzimatici fossero composti a basso peso molecolare che si legavano in modo reversibile alle loro affini proteine . Negli ultimi anni è stata descritta una famiglia di proteine che contengono il loro cofattore all’interno della catena polipeptidica proteica. Una nuova classe di tali proteine è emersa dal laboratorio Klinman, nota come chino-enzimi. Due tipi distinti di cofattori sono stati scoperti negli eucarioti: il 2,4,5-triidrossifenetilammina-chinone (TPQ) derivato da una singola catena laterale di tirosina e osservato nelle ubiquitarie ammineossidasi contenenti rame; e la lisina tirosil chinone (LTQ) derivato dalla reticolazione di lisina e tirosina ossidata all’interno del sito attivo delle lisilossidasi. Nel caso del TPQ è stato stabilito che un singolo ripiegamento proteico catalizza sia la biogenesi del cofattore che il successivo turnover dell’enzima. Queste proteine vengono chiamate proteine a doppia funzione, ponendo il problema di come un singolo ripiegamento proteico possa catalizzare due reazioni apparentemente dissimili. Sono in corso studi approfonditi su questi chino-enzimi, come pure sul cofattore batterico derivato da peptidi, il pirrolo-chinolina chinone. Sono stati anche avviati studi per sondare il ruolo fisiologico di una classe di ossidasi al rame che si trova sulle superfici cellulari, generando perossido di idrogeno, un probabile agente di segnali cellulari.

La vita aerobica pone interrogativi unici. Nello specifico, come le proteine catalizzano l’attivazione dell’ossigeno molecolare evitando di generare intermedi radicalici con sufficiente stabilità per provocare il danno ossidativo cellulare. Il gruppo di Klinman ha proposto un approccio sistematico a questa domanda investigando un’ampia gamma di proteine ​​che funzionano con cofattori organici da soli, con metalli da soli o con una combinazione cofattori organico – centro metallico. La metodologia utilizzata combina mutagenesi sito-specifica, stato stazionario e cinetica rapida, sonde spettroscopiche per intermedi e la misurazione di effetti isotopici O18 [6].

Judith Klinman professore alla Graduate School in Chemistry and Molecular Biology

Judith P. Klinman ha percorso tutte le tappe della carriera accademica a Berkeley fino a professore ordinario nella Graduate School in Chemistry and Molecular and Cell Biology e membro del California Institute for Quantitative Biosciences. E’ stata la prima donna membro della Facoltà di Chimica, di cui è stata anche Preside. Oggi è professore emerito della Facoltà, in questa veste continua a fare ricerca nel gruppo da lei costituito. E’ autrice o co-autrice di più di 400 pubblicazioni scientifiche di cui venti nel quadriennio 2014-2017. Ha ottenuto numerose onoreficienze e premi da importanti istituzioni nazionali e internazionali, fra le quali la National Medal of Science, la più alta onorificenza pubblica che uno scienziato può ricevere negli Stati Uniti e il Premio Willard Gibbs dell’American Chemical Society.

Judith P. Klinman, Medaglia Gibbs dell’ACS

L’American Society for Biochemistry and Molecular Biology, di cui è stata anche Presidente, le ha conferito il Premio Mildred Cohn per la Biochimica.

Fonti consultate:

Bekely College of Chemistry https://chemistry.berkeley.edu/faculty/chem/klinman

The first woman at Cal https://chemistry.berkeley.edu/news/first-women-chemists-cal

http://www.asbmb.org/uploadedfiles/AboutUs/ASBMB_History/Past_Presidents/1990s/1998Klinman.html

Bibliografia

[1] S. M. Janes, D. Mu, D. Wemmer, A. J. Smith, S. Kaur, D. Maltby, A. L. Burlingame, Judith P Klinman, A new redox cofactor in eukaryotic enzymes: 6-hydroxydopa at the active site of bovine serum amine oxidase., Science, 1990, 248, 981-987.

[2] S.X. Wang, N. Nakamura, M. Mure, Judith P. Klinman, J. Sanders-Loehr, Characterization of the native lysine tyrosylquinone cofactor in lysyl oxidase by Raman spectroscopy., J. Biol. Chem. 1997, 272, 28841-28844.

[3] a) Y. Cha, C. J. Murray, Judith P. Klinman, Hydrogen tunneling in enzyme reactions., Science, 1989, 243, 1325-1330; b) A. Kohen, R. Cannio, S. Bartolucci, Judith P. Klinman, Enzyme dynamics and hydrogen tunneling in a thermophilic alcohol deydrogenase., Nature, 1999, 399, 496.

[4] a) M. J. Knapp, K. Rickert, Judith P. Klinman, Temperature-dependent isotope effects in soybean lipoxygenase-1: correlate hydrogen tunneling with protein dynamics., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 3865-3874; b) Z.D. Nagel, Judith P. Klinman, Tunneling and dynamics in enzymatic hydrogen transfer., Chem. Rev., 2006, 106, 3095-3118.

[5] Judith P. Klinman, How Do Enzymes Activate Oxygen without Inactivating Themselves?, Acc. Chem. Res, 2007, 40, 325-333).

[6] L.M. Mirica, K.P. McCusker, J.W. Munos, H. Liu, Judith P. Klinman, 18O kinetic isotope effects in non-heme iron enzymes: Probing the nature of Fe/O2 intermediates., J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 8122-8123.

[1] Prima donna chimico a far parte dello staff all’University of California a Berkeley. Berkeley è stata fondata nel 1868 per cui festeggia quest’anno il 150° anniversario. In uno dei siti consultati si afferma che: “Una delle eredità più importanti del sistema UC è che le donne furono ammesse due anni dopo la fondazione dell’università, nel 1870. I Regents avevano approvato all’unanimità una risoluzione per ammettere le donne che all’epoca costituivano circa il 36% della popolazione dello stato. L’annuncio dell’University Registrar era chiaramente inteso a incoraggiarle a partecipare: “Le Giovani Donne sono ammesse all’Università a parità di condizioni, a tutti gli effetti come i giovani uomini”. Tuttavia fra il dire e il fare…

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