Domande di preparazione all'esame di Biochimica e analisi biochimica degli alimenti

Domande Biochimica - Modulo 11

Spiega la struttura alfa elica

La struttura alfa elica è un tipo di struttura secondaria. Tutte le strutture secondarie sono caratterizzate da un’organizzazione spaziale della catena principale. Questa struttura fa riferimento ad un segmento polipeptidico della proteina. Le catene laterali R non fanno parte della struttura secondaria, tuttavia possono influenzarla a causa delle ripetitive interazioni con le altre catene laterali -R degli amminoacidi vicini. È importante che la stabilità della struttura venga mantenuta.

L’alfa elica è una struttura elicoidale che tiene conto della planarità dei legami peptidici. Lo scheletro peptidico si avvolge intorno ad un asse immaginario, posto al centro della spirale che si forma. Questo avvolgimento avviene in modo destrorso e mantiene al suo esterno le catene laterali R. La struttura è stabilizzata da legami idrogeno che si formano tra l’idrogeno del gruppo amminico del primo amminoacido e l’ossigeno del gruppo carbossilico del quarto amminoacido successivo; nel legame sono dunque coinvolti gli stessi gruppi del legame peptidico. Abbiamo questa formazione di legame in modo ripetuto e costante, sempre uno ogni quattro residui aminoacidi. Ogni 3,6 residui c’è un giro di elica e il passo, ovvero la distanza tra 2 spire, è di 5,4 Armstrong. Nell’alfa elica ciascun legame peptidico, esclusi quelli dell’estremità, partecipa alla formazione di legami idrogeno.

La tendenza di un segmento nel ripiegarsi per la formazione di alfa elica dipende dal tipo di residui che lo compongono e dalla loro sequenza all’interno. La stabilità di questa struttura è garantita dalle interazioni tra i gruppi laterali R dei vari amminoacidi che sporgono dall’elica. Fanno interazioni tra loro ogni 3-4 posizioni. Alcune interazioni tra gruppi R conferiscono stabilità, altre sono motivo di instabilità dell’alfa-elica. Avremo quindi stabilità quando l’amminoacido con carica netta negativa sarà distante 3/4 posizioni da quello positivo e crea dunque una coppia ionica tra due amminoacidi idrofobici che, grazie la loro interazione idrofobica, donerà stabilità alla struttura.

Al contrario saranno motivo di instabilità: la presenza di un C-beta (1° carbonio del gruppo R) molto ramificato che crea così ingombro sterico essendo voluminoso; due amminoacidi distanti 3 posizioni con stessa carica, in quanto si respingono; la presenza di prolina, amminoacido ciclico non compatibile con la struttura secondaria dell’alfa elica, o di glicina, che avendo H come gruppo R ha molta flessibilità.

Spiega la struttura beta-foglietto

La struttura beta-foglietto è un tipo di struttura secondaria. Tutte le strutture secondarie sono caratterizzate da un’organizzazione spaziale della catena principale. Questa struttura fa riferimento ad un segmento polipeptidico della proteina. Le catene laterali R non fanno parte della struttura secondaria, tuttavia possono influenzarla a causa delle ripetitive interazioni con le altre catene laterali -R degli amminoacidi vicini.

Nel caso di struttura a foglietto beta si affiancano in modo parallelo due segmenti di due diverse catene oppure segmenti di una stessa catena. I legami idrogeno si formano tra CO e NH di due diversi amminoacidi. In questo caso la catena si estende in una conformazione a zig-zag che, nel suo insieme, presenta una serie di pieghettature. Il carbonio alfa è al vertice della piega, mentre i gruppi R di amminoacidi adiacenti sporgono dalla struttura a zig-zag in direzioni opposte, uno sopra e uno sotto.

Le catene polipeptidiche affiancate possono essere parallele, con stesso orientamento, oppure antiparallele, con orientamento opposto del legame peptidico NH - CO. In quest’ultimo caso gli atomi sono allineati e quindi avremo maggiore stabilità. Anche per la struttura beta-foglietto, come per quella ad alfa-elica, abbiamo una geometria specifica e costante. Il gruppo carbossilico del primo amminoacido lega il gruppo amminico del quarto amminoacido con legami idrogeno perpendicolari alla direzione della catena. I legami peptidici dei residui centrali non partecipano alla formazione di tale struttura.

Come si forma il legame peptidico?

Per la formazione di polipeptidi sono necessari legami covalenti. Nel legame peptidico abbiamo una parziale condivisione di due coppie di elettroni tra O del gruppo carbossilico del primo amminoacido, e H, del gruppo amminico del secondo amminoacido. Questo perché il legame si crea tra un atomo con carica parziale negativa, ovvero l’ossigeno, e uno con carica parziale positiva, ovvero l’idrogeno, generando così un polo elettrico.

Il legame peptidico è un legame covalente che lega due amminoacidi al fine di formare polipeptidi. Il gruppo amminico del primo amminoacido si rompe per idrolisi, liberando uno ione H⁺, il quale lega il gruppo OH liberato dalla rottura del gruppo carbossilico del primo amminoacido. I due amminoacidi si legano grazie ad una reazione di condensazione, che libera una molecola di H₂O, derivante dagli ioni liberati dalla reazione precedente. I sei atomi del gruppo peptidico si dispongono sullo stesso piano, determinando così un legame di tipo planare. È importante che NH - CO siano sempre sullo stesso piano.

I legami C-N a causa del doppio legame non possono ruotare liberamente, tuttavia è possibile la rotazione facendo perno sul Ca e ruotando verso l’N del gruppo amminico, phi, oppure verso il C del gruppo carbossilico, psi. La conformazione del polipeptide è definita dagli angoli in quanto, la rigidità del legame peptidico, limita il numero delle conformazioni che la catena può assumere. I gruppi impegnati nel legame non sono ionizzabili, mentre lo sono le catene laterali -R.

Il punto isoelettrico equivale al punto in cui il pH corrisponde al punto dove la proteina ha carica parziale netta, quindi uguale a zero in quanto la carica positiva è uguale a quella negativa.

Perché una sequenza proteica di soli residui di glutammato non farà alfa-elica a pH neutro?

Tutte le proteine si dividono in diverse categorie in base ad alcune caratteristiche che possiedono. In questo caso, dovendo analizzare la possibilità di formare una struttura alfa-elica con soli residui di glutammato, bisogna prendere di riferimento la classificazione in base al gruppo -R a cui si lega l’amminoacido e analizzare la sua carica parziale.

Il glutammato è un amminoacido acido, la cui catena laterale -R corrisponde a un gruppo COOH. Essendo la sua pKr minore del pH neutro, che corrisponde a 7, allora la sua catena laterale R sarà in forma dissociata, in quanto perde H⁺ e avrà quindi carica netta negativa (COO^-).

Visto che i motivi di stabilità di una alfa-elica necessitano di amminoacidi con carica netta opposta sulla stessa catena, distante 3,6 amminoacidi dall’amminoacido coinvolto nel legame, non sarà possibile la sua formazione in quanto ci sarebbe repulsione elettrostatica. Inoltre, essendoci la ramificazione del C-beta, si crea un ingombro sterico, un altro dei motivi di instabilità di una struttura alfa-elica.

Perché una sequenza proteica di soli residui di lisina farà alfa-elica a pH neutro?

Tutte le proteine si dividono in diverse categorie in base ad alcune caratteristiche che possiedono. In questo caso, dovendo analizzare la possibilità di formare una struttura alfa-elica con solo residui di lisina, bisogna prendere di riferimento la classificazione in base al gruppo -R a cui si lega l’amminoacido e analizzare la sua carica parziale.

La lisina è un amminoacido basico, la cui catena laterale -R corrisponde a un gruppo NH₂. Essendo la sua pKr maggiore del pH neutro, che corrisponde a 7, allora la sua catena laterale R sarà in forma protonata, in quanto acquista H⁺ e avrà quindi carica netta positiva (NH₃⁺).

Visto che i motivi di stabilità di una alfa-elica necessitano di amminoacidi con carica netta opposta sulla stessa catena, distante 3,6 amminoacidi dall’amminoacido coinvolto nel legame, sarà possibile la sua formazione in quanto non c’è repulsione elettrostatica.

Quali sono i legami che stabilizzano la struttura terziaria?

La struttura terziaria di una proteina riguarda la disposizione spaziale delle catene polipeptidiche. Essa è influenzata dalle interazioni delle catene laterali -R degli amminoacidi delle strutture secondarie alfa eliche e foglietti beta. Possono essere fibrose o globulari. Tra i legami che la stabilizzano abbiamo:

• Legami non covalenti (deboli):
  • Legame elettrostatico, che avviene tra gruppi laterali –R di amminoacidi che hanno carica opposta (negativo con positivo), es. adenina con acido butanico.
  • Legame idrogeno, dove alcuni gruppi laterali –R sono polari e possono fare questi legami, con anche l’O di un gruppo carbonilico.
  • Interazioni idrofobiche, avvengono principalmente nel core delle proteine, tra gruppi di carica netta e di cariche parziali.
  • Interazioni con ioni metallici, abbiamo ioni che non sono proteici, essi si legano agli amminoacidi presenti e in questo modo aiutano a stabilizzare la struttura terziaria, per questo ad esempio alcune proteine si chiamano metallo-proteine in quanto necessitano di un legame con il metallo.
  • Interazioni con cofattori organici o inorganici.
• Legami covalenti (forti):
  • Ponti disolfuro, si formano tra due residui di cisteina con gruppo laterale solfidrilico o tiolico -SH/HS-, crea un ponte disolfuro che lega covalentemente i due amminoacidi; quando abbiamo un’azione di ossidazione si perdono i due ioni idrogeno e si ottiene il legame unico tra due zolfi (disolfuro).

Come si classificano le proteine?

Le proteine si classificano in base alla loro struttura e funzione. Possono essere fibrose, globulari, di membrana, ecc. Ciascuna categoria ha caratteristiche distintive che ne determinano il ruolo biologico.

Cos’è la struttura nativa?

Le proteine in base alla loro disposizione nello spazio possono assumere diverse conformazioni. Le conformazioni possibili di una proteina corrispondono a tutte le strutture che la proteina stessa può assumere senza rompere i suoi legami. La struttura nativa è lo stato conformazionale funzionale della proteina. Quando la proteina si ripiega nello spazio, i residui amminoacidi di rilievo sono vicini tra loro. Questa vicinanza consente un miglior svolgimento della funzione specifica della proteina, qualsiasi sia la natura. Questa disposizione viene scelta in autonomia dalla proteina in quanto tende a preferire la forma termodinamicamente più stabile, ovvero quella con il più basso valore di energia libera, determinando così la sua struttura nativa.

Il rapporto che c’è tra la struttura e la funzione delle proteine è importante perché, se la proteina dovesse denaturarsi, perdendo la sua conformazione termodinamicamente più stabile, perderebbe anche la sua funzione biologica. Inoltre, la struttura nativa consente di formare un maggior numero di interazioni tra gruppi funzionali presenti nella catena e di nascondere i suoi residui idrofobi dall’acqua, formando un core della proteina con tali residui al suo interno. Di conseguenza, verranno esposti all’esterno i residui idrofili. Anche questa caratteristica permette di avere una proteina più stabile e più compatta.

Cos’è la mioglobina?

La mioglobina è una proteina avente struttura terziaria, che ha il compito di legare l’ossigeno in modo reversibile. La sua funzione è infatti quella di immagazzinarlo al suo interno, per poi diffonderlo nei muscoli. Essa garantisce la massima compattezza in quanto non ha spazi liberi al suo interno. I suoi gruppi laterali -R la rendono stabile nonostante sia una proteina flessibile. Essa lega un gruppo eme, contenente il Fe²⁺.

Il suo scheletro è caratterizzato da alfa-eliche, che conferiscono compattezza, ma ha anche qualche beta-foglietto. La posizione delle catene laterali degli amminoacidi è dovuta alle interazioni idrofobiche della struttura stessa. La mioglobina è una proteina globulare. Poiché l’O₂ lega il Fe²⁺, che non si deve ossidare per evitare che diventi tossico, è necessaria la presenza di una tasca idrofobica, dove, al suo interno, si nascondono i gruppi -R idrofobi così che non entrino a contatto con l’acqua. Quelli polari, al contrario, saranno esposti all’esterno.

È importante, per il corretto funzionamento della proteina, che il solvente non abbia facile accesso a questa tasca idrofobica contente il Fe²⁺ in quanto, se dovesse ossidarsi, si ridurrebbe a Fe³⁺. E, non essendo in grado di legare l’O₂, la mioglobina perderebbe la sua funzione biologica. Inoltre, la mioglobina presenta una maggiore affinità per l’ossigeno rispetto all’emoglobina, questo permette lo scambio di O₂ nel giusto ordine all’interno della cellula, ovvero dall’emoglobina che lo trasporta nell’organismo fuori dalla cellula, alla mioglobina che lega l’O₂ nella cellula.

Com’è la struttura quaternaria di una proteina?

La struttura quaternaria di una proteina prevede associazioni stabili di più polipeptidi, ognuno dei quali possiede una propria struttura terziaria. Ogni singola catena proteica si definisce sub-unità che, in alcuni casi, possono essere uguali, in altri diverse. La struttura quaternaria è stabilizzata da interazioni tra catene laterali -R, uguali a quelle presenti nella struttura terziaria. Le quattro sub-unità permettono quindi un’organizzazione spaziale di più molecole proteiche in complessi di multi-subunità, la loro caratteristica è quella di avere ognuna una loro struttura terziaria autonoma, come nel caso dell’emoglobina. Questa caratteristica è un grande vantaggio perché, essendo indipendenti l’una dall’altra, nel caso in cui avvenga un turn over si lavora sulla sub-unità in modo individuale e non si deve agire su tutto il gruppo.

Spiega il collagene

Il collagene è una proteina fibrosa, resistente alla trazione. Essa è una proteina di tipo lineare con sub-unità aventi struttura terziaria. Si trova nel tessuto connettivo, come in tendini, ossa e cartilagine. Le fibre di collagene sono costituite da tre catene polipeptidiche, avvolte ad alfa-elica, fino alla formazione di tropo-collagene. L’allineamento delle catene è di tipo testa-coda e forma legami con uguale orientazione.

Tuttavia, la sua sintesi è più complessa. Lo scheletro peptidico è composto da sub-unità che si avvolgono ad alfa-elica ma in modo elicoidale sinistrorso, con tre amminoacidi per ogni giro d’elica. Gli amminoacidi continuano però a legarsi con andamento destrorso, andando quindi contro rotazione. Queste singole sub-unità sono sintetizzate dai ribosomi, formando catene più lunghe con elementi accessori. Si formano dei legami covalenti, ponti disolfuro, che determinano una proteina matura.

A questo punto, le tre sub-unità si allineano e formano procollagene. Avvengono poi delle modifiche post-traduzionali, in seguito all’idrossilazione di Gly e Pro e, in seguito alla glicosilazione che prevede l’aggiunta di zuccheri, formando così una proteina coniugata OH-Gly e OH-Pro. I ribosomi tornano per sintetizzare e, di conseguenza, rimuovere i domini N e C terminali. Le tre sub-unità legano il C terminale, formando una tripla-elica di procollagene. Essa esce nello spazio extracellulare e si rimuovono le proteine accessorie.

All’esterno otteniamo tropo-collagene, le cui sub-unità saranno coinvolte in diversi cross-linking. La lisina-ossidasi interviene per l’ossidazione di Lys in All, fino a dare maggiore resistenza alla proteina di collagene che si è formata.

Cos’è l’emoglobina?

L’emoglobina è una proteina oligomerica, a forma quasi sferica, formata da quattro catene di polipeptidi, il che definisce una struttura quaternaria simmetrica. Essa è dunque formata da quattro sub-unità di proteine coniugate, che contengono un gruppo eme, che fanno tra loro principalmente interazioni idrofobiche, ma anche interazioni ioniche, che possono coinvolgere i gruppi carbossilici terminali delle varie catene. La sua struttura viene definita, grazie alla sua simmetricità, tetramerica, grazie alla quale avremo una sub-unità alfa e una beta per ogni lato. Ogni sub unità contiene un gruppo eme prostetico, identico a quello che si trova nella mioglobina.

Il gruppo eme è un anello tetra pirrolico, avente una struttura complessa con un ferro al centro legata a quattro strutture cicliche. Gli atomi di azoto sono agli angoli rivolti verso il ferro. Il ferro ridotto, può fare sei legami di coordinazione. Quattro di questi, sono con gli atomi di azoto delle strutture cicliche coordinate, che fungono da donatori di elettroni e impediscono la conversione del ferro presente nel gruppo eme in ferro ossidato. Il quinto legame è con l’Histidina 93, il quale permette di mantenere il ferro al centro. L’ultimo legame invece lo fa con l’ossigeno, la molecola che lo trasporta. L’altra His64 è utile perché potrebbe fare un legame così forte con l’emoglobina la quale, non legando più l’O₂, potrebbe liberare anche solo una minima quantità di monossido di carbonio in grado di asfissiarci.

La struttura quaternaria dell’emoglobina è quindi fondamentale affinché i gruppi eme in essa contenuti, rimangano al sicuro nella tasca idrofobica che la struttura costituisce. La funzione dell’emoglobina è quella di legare l’ossigeno e trasportarlo nel sangue dai polmoni al tessuto. L’emoglobina può pertanto avere due conformazioni, entrambe in grado di legare l’ossigeno. Tuttavia, l’O₂ avrà maggiore affinità per la forma R (ossiemoglobina) in quanto è il legame stesso a stabilizzare tale conformazione.

Nel caso in cui non c’è ossigeno, situazione che si può ottenere in laboratorio, T è più stabile, prevale quindi la conformazione della deossiemoglobina. Nel momento in cui l’O₂ lega l’emoglobina presente nello stato T, otteniamo un cambio della conformazione.