Struttura e funzione delle proteine: un viaggio tra complessità e dinamismo

Indice

1. Le proteine e la loro struttura
2. Aminoacidi e legami peptidici
3. Struttura delle proteine
4. Proteine fibrose e globulari
5. Proteine coniugate e loro funzioni
6. Domini e motivi delle proteine
7. L'emoglobina e le sue varianti
8. Complessi multiproteici
9. Denaturazione e ripiegamento

Le proteine e la loro struttura

Tra le molecole organiche più diffuse vi sono le proteine (più del 50% dei sistemi viventi, tranne le piante, è costituito da proteine).

Essi svolgono un’incredibile varietà di funzioni nei sistemi viventi ma la loro struttura è per lo più la stessa: sono Polimeri di molecole contenenti azoto, gli aminoacidi deposti in sequenza lineare.

Quindi le proteine sono macromolecole ad alto peso molecolare formate da una sequenza di aminoacidi legati tra loro. Gli aminoacidi sono costituiti da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto.

Aminoacidi e legami peptidici

Tutti gli aminoacidi hanno un gruppo carbossilico ed un gruppo amminico, separati tra loro da un singolo atomo di carbonio, il carbonio α che è legato ad una catena laterale R di struttura variabile.

Questa catena laterale può presentarsi in 20 differenti tipi, che portano alla formazione di 20 tipi d’aminoacidi; le strutture variabili sono classificabili in quattro categorie: quelle che sono ionizzate ai pH fisiologici, quelle che sono polari, ma non ionizzate e capaci di formare dei legami idrogeno, quelle che non sono polari ma interagiscono tramite le forze di van der Waals, e tre catene di amminoacidi (prolina, cisteina e glicina) che hanno proprietà particolari.

I legami avvengono tra una parte amminica e una carbossilica di due amminoacidi. Questo legame è un legame covalente chiamato legame peptidico e la molecola formata si chiama polipeptide.

Struttura delle proteine

In una cellula una proteina è assemblata in una lunga catena polipeptidica, la "testa" di un amminoacido si lega con la "coda" di un altro. La sequenza lineare di amminoacidi, dettata dalle informazioni ereditarie è detta struttura primaria. Ogni proteina ha una sua diversa struttura primaria, che determina la funzione biologica di una molecola; basta una piccola variazione di essa da alterare o distruggere la sua funzionalità.

Proteine fibrose e globulari

Una volta assemblata lungo la catena polipeptidica incominciano ad aver luogo delle interazionini tra i vari amminoacidi che la fanno ripiegare su se stessa in una configurazione semplice detta struttura secondaria. Una comune struttura secondaria è quella α -elica , la forma di questa struttura è mantenuta dai legami a idrogeno. Poiché i legami sono deboli le proteine elicoidali sono elastiche. Altre proteine sono costituite da lunghe catene polipeptidiche allineate in file parallele unite tra loro da legami a idrogeno; la loro struttura è detta foglietto [greek]β[/greek]-pieghettato che non sono elastiche.

Queste due forme rientrano nel tipo di proteine fibrose. In altre proteine, dette proteine globulari, la struttura secondaria si ripiega su se stessa per formare la struttura terziaria (barili [greek]β[/greek], spirale avvolta) ed è il risultato di complesse interazioni di gruppi R dei singoli aminoacidi stabilizzati da legami non covalenti, determinando la conformazione dell’intera proteina.

Molte proteine sono formate da più di una catena polipeptidiche; queste catene sono tenute insieme da legami a idrogeno, ponti di solfuro, interazioni idrofobiche e attrazioni fra cariche. Questo livello d’organizzazione è chiamato struttura quaternaria.

Una proteina composta da subunità identiche è un omodimero, se diverse è un eterodimero.

In una proteina le strutture secondarie, terziarie e quaternarie dipendono tutte dalla struttura primaria, cioè dalla sequenza lineare degli aminoacidi.

* se gli R sono polari si dispongono all’ esterno e saranno catene lunghe;

* se gli R sono non polari si dispongono all’interno e saranno catene corte.

Quando in una reazione si libera acqua questa si chiama condensazione, quando si assume acqua si chiama idrolisi

Proteine coniugate e loro funzioni

Molte proteine contengono altri composti oltre gli aminoacidi e sono chiamate proteine coniugate; includono quelle legate (covalentemente e non) agli acidi nucleici (nucleoproteine), ai lipidi (lipoproteine), ai carboidrati (glicoproteine).

N.B. = le parti di una catena polipeptidica non organizzate in una [greek]α[/greek]–elica o in un foglietto [greek]β[/greek] possono formare cerniere, anse o estensioni digiformi. Spesso queste sono le parti più flessibili di una catena polipeptidica e le sedi della maggiore attività biologica.

- ci sono proteine fibrose allungate, (quelle più esterne, strutturali) che devono essere elastiche, e proteine globulari (posizionate all’interno).

Domini e motivi delle proteine

Molte proteine, in particolare le più grandi, sono composte da due o più moduli distinti chiamati Domini, che si strutturano indipendentemente l’uno dall’altro. I diversi domini spesso rappresentano parti che funzionano in maniera semiindipendente.

Man mano che sempre più strutture terziarie vengono determinate, i biochimici trovano sottostrutture ricorrenti o Motivi, che consistono in un definito arrangiamento di [greek]α[/greek]-eliche e/o filamenti.

Un esempio è la spirale avvolta (coiled coil) nella molecola di miosina.

Le proteine inoltre si muovono, o più precisamente si muovono le loro catene.

I movimenti prevedibili (non casuali) all’interno di una proteina, che sono azionati dal legame di una specifica molecola, sono chiamati modificazioni conformazionali.

L'emoglobina e le sue varianti

L’emoglobina è una proteina coniugata con un gruppo proteico, è una proteina fabbricata e trasportata dai globuli rossi del sangue non composto da amminoacidi. Le sue molecole si combinano debolmente con l’ossigeno, catturandolo nei polmoni e liberandolo in altre parti del corpo. La molecola dell’emoglobina ha una struttura quaternaria che consiste in quattro catene polipeptidiche, ognuna delle quali associata con un gruppo contenente ferro, detto eme. L’emoglobina ha due catene [greek]α[/greek] identiche e due catene [greek]β[/greek] identiche, ognuna con una struttura primaria specifica contenente 150 aminoacidi.

Emoglobina adulta normale: HbA => [greek]α[/greek]2[greek]β[/greek]2 (al quadrato).

Emoglobina fetale: HbF => [greek]α[/greek]2[greek]γ[/greek]2 (al quadrato)

Emoglobina patologica: HbS

L’anemia falciforme è una malattia in cui le molecole di emoglobina sono difettose; quando l’ossigeno viene liberato, esse cambiano forma combinandosi fra loro per formare strutture indurite di forma allungata. I globuli rossi di conseguenza s’induriscono assumendo la caratteristica forma a falce; essi sono fragili e si rompono facilmente. La differenza tra emoglobina normale ed emoglobina falciforme è data da una differenza in un punto preciso d’ogni catena [greek]β[/greek], un amminoacido, l’acido glutamminico, è sostituito da un altro amminoacido, la valina.

L’acido glutammico è polare e quindi idrofilo, mentre la valina non è polare ed è perciò idrofoba.

Le molecole di valina nelle due catene [greek]β[/greek] creano una regione "appiccicosa" dell’emoglobina, che quindi dà origine a strutture allungate.

La malaria è contratta solo da chi non ha nessun tipo di difetto nelle proteine dei globuli rossi, quindi non dai talassemici. È provocata da un protozoo che infetta i globuli rossi, il parassita plasmodio della malaria, protista monocellulare che passa dalla zanzara anofele all’uomo attraverso la saliva della zanzara.

Complessi multiproteici

Anche se l’emoglobina è costituita da 4 subunità, essa è considerata come una singola proteina con una singola funzione. Esistono differenti proteine ognuna con una funzione specifica, associate fisicamente per formare un grande complesso multiproteico.

Uno dei primi complessi multiproteici scoperto e studiato fu la piruvato deidrogenasi del batterio E. coli; è composta da 60 diverse catene polipeptidiche , che formano tre diversi enzimi. I complessi non sono necessariamente stabili nelle cellule, anzi sono piuttosto dinamici e rispondono alla necessità della cellula in un dato momento.

Man mano che sono state scoperte attività di complessi molecolari , l’importanza delle interazioni transitorie fra le proteine è divenuta sempre più evidente. Per esempio, diversi processi come la sintesi del DNA, la formazione dell’ATP e il rimaneggiamento del RNA sono tutti compiuti grazie ad un elevato numero di proteine che interagiscono tra loro.

Denaturazione e ripiegamento

Lo srotolamento o disorganizzazione delle proteine è detto denaturazione, può esser causato da vari agenti: solventi organici, detergenti, radiazione, calore e composti come urea, ognuno dei quali interferisce con varie interazioni, destabilizzando la struttura terziaria della proteina. Si è visto che se in una proteina denaturizzata vengono tolti i fattori denaturizzanti, essa si riassembla: l’ avvolgimento avviene dunque per autoassemblaggio; questo perché si è visto che la sequenza amminoacidica del polipeptide contiene tutta l’informazione richiesta per l’assemblaggio della conformazione tridimensionale della proteina.

Non tutte le proteine sono capaci però di assumere la propria struttura terziaria finale da un semplice processo d’auto-assemblaggio. Questo non perché la struttura primaria di queste proteine sia priva dell’informazione richiesta per il proprio ripiegamento, piuttosto perché le proteine sottoposte all’avvolgimento non interagiscono selettivamente con altre molecole nei ristretti compartimenti delle cellule. Numerose famiglie di proteine hanno una specifica funzione di "aiutare" proteine, non avvolte o avvolte male, a raggiungere la propria conformazione tridimensionale. Queste proteine ausiliarie sono chiamate chaperoni molecolari.