Concetti Chiave
- Christian Anfinsen dimostrò che il folding delle proteine è determinato dalla loro sequenza amminoacidica primaria, contenente tutte le informazioni necessarie per raggiungere la struttura nativa.
- L'esperimento con la ribonucleasi dimostrò che, una volta rimossi gli agenti denaturanti, la proteina era in grado di riavvolgersi spontaneamente, confermando l'ipotesi di Anfisen.
- L'ipotesi termodinamica di Anfisen sostiene che la struttura nativa di una proteina corrisponde a uno stato di energia libera minima, garantendo stabilità e ordine molecolare.
- Una proteina strutturata è più stabile rispetto a una non ripiegata, in quanto possiede un livello maggiore di ordine e minore energia libera, riducendo le possibilità di interazioni indesiderate.
- Studi successivi hanno rivelato che proteine più complesse necessitano dell'intervento di proteine chaperon per guidare il folding, e il concetto di cooperatività è stato associato a questo processo.
Ipotesi termodinamica di Anfisen sulle proteine
Christian Anfinsen, biochimico statunitense, vincitore del Nobel per la Chimica nel 1972, fu il primo a comprendere che l’informazione per raggiungere il folding della proteina (la struttura terziaria o struttura nativa) è già contenuto nellasequenza amminoacidica cioè nella struttura primaria.
La sequenza degli amminoacidi nella catena peptidica è un’informazione che guiderà il folding, quindi il ripiegamento della proteina nello spazio.
L'esperimento di Anfisen
Per dimostrare ciò fece un esperimento. Egli utilizzò un enzima molto semplice, la ribonucleasi. Determinò una denaturazione della ribonucleasi in vitro (si parla di denaturazione quando la proteina passa da una configurazione nativa ad una configurazione non ripiegata). La denaturazione provoca la rottura dei legami deboli, principalmente quelli a idrogeno, mettendo la ribonucleasi in un ambiente dove erano presenti agenti denaturanti.Anfisen denaturò in vitro la proteina utilizzando l’urea come agente denaturante, Il mercaptoetanolo come agente riducente dei ponti disolfuro (interazioni che si stabiliscono al fronte tra atomi di zolfo presenti nelle cisteine nella catena polipeptidica). Successivamente rimosse per dialisi sia l’urea che il mercaptoetanolo e dopo un certo periodo di tempo si rese conto che la proteina era in grado di riavvolgersi spontaneamente. Questo fu un esperimento importantissimo nello studio del folding delle proteine.
L'ipotesi termodinamica
La ribonucleasi denaturata si ripiega spontaneamente nel momento in cui vengono allontanati per dialisi gli agenti denaturanti; dato che la proteina è capace di ripiegarsi spontaneamente è possibile affermare che l’informazione per il ripiegamento è già contenuta nella struttura primaria.Anfisen sulla base di questi risultati elaborò l’ipotesi termodinamica di Anfisen dove definì come “struttura nativa" quella condizione in cui la proteina si trova termodinamicamente in uno stato minimo di energia (quella grandezza termodinamica che noi definiamo energia libera).
La stabilità della proteina
Tutto questo ci fornisce informazioni riguardo la stabilità della proteina, infatti, se una proteina è al minimo dell’energia libera significa che non avrà perturbazioni di alcun tipo e sarà quindi stabile. Una catena polipeptidica non avvolta è instabile perché può interagire con molte molecole mentre con una conformazione strutturata, e quindi ordinata, è più stabile perché ha raggiunto un livello minimo di energia libera e di disordine (sarà più ordinata quando è strutturata, viceversa sarà più disordinata quando è più srotolata).Tenendo conto del fatto che la catena polipeptidica non ripiegata può assumere molteplici conformazioni e possedendo un elevato grado di disordine (entropia), quando la proteina passa da una forma disordinata a una forma ordinata raggiunge un livello minimo di energia e di entropia.
La proteina nativa con struttura funzionale è una proteina più stabile poiché si trova ad un livello energetico minore, é meno flessibile in quanto possiede un livello maggiore di ordine molecolare rispetto alla proteina unfolded (non ripiegata, è quindi maggiormente “vincolata” a svolgere una funzione particolare, si specializza (più ordine molecolare).
Studi successivi all'esperimento di Anfisen
Esperimenti successivi hanno dimostrato che soltanto alcune piccole proteine possono rinaturare spontaneamente, proteine più complesse nella realtà hanno bisogno di una guida molecolare, cioè l’intervento delle proteine chaperon che assistono e guidano il folding molecolare di altre proteine nascenti nelle cellule. Un altro fattore importante che venne compreso dopo l’esperimento, fu il concetto di cooperatività. Fu possibile osservare che, denaturando le proteine tramite aumento della temperatura (la quale provoca la rottura dei legami ad idrogeno) in maniera graduale, inizialmente la conformazione tendeva a rimanere intatta; soltanto successivamente, entro un ristretto range di temperatura, la proteina cambiava improvvisamente. Questo effetto repentino è associato proprio alla cooperatività, importante concetto di biochimica che verrà studiato successivamente.Anche il folding (così come accade per l’emoglobina e vari enzimi che vedremo più in là) è associato ad un processo di cooperatività.
Domande da interrogazione
- Qual è l'ipotesi termodinamica di Anfisen riguardo al folding delle proteine?
- Qual è il significato della stabilità della proteina in termini di energia libera?
L'ipotesi termodinamica di Anfisen afferma che l'informazione necessaria per il folding di una proteina è contenuta nella sua sequenza amminoacidica primaria. La proteina raggiunge la sua struttura nativa quando si trova in uno stato di energia libera minima.
La stabilità di una proteina è legata al suo stato di energia libera minima. Una proteina strutturata è più stabile perché ha raggiunto un livello minimo di energia libera e di disordine, rendendola meno suscettibile a perturbazioni.
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