Proteine

11-03-2021 Proteine

Le proteine sono polimeri di amminoacidi uniti tra loro dal legame peptidico.

Il peptide è una piccola catena di amminoacidi (numero piccolo) tutti legati tra di loro. Ciascuna unità viene definita residuo ed è ciò che rimane dell’amminoacido dopo che ha formato il legame peptidico.

Terminologia

• Dipeptide: peptide con 2 residui;
• Tripeptide: 3 residui;
• Oligopeptide: ha un po’ di più residui amminoacidici;
• Polipeptidi (proteine): polimeri che hanno un numero sostanzioso di residui, decine, centinaia;

Le proteine sono polipeptidi (ci sono anche peptidi brevi che hanno delle funzioni biologiche importanti) che esprimono l’informazione genetica.

Le loro dimensioni nei sistemi biologici sono molto variabili: possono essere lunghe e formate da molti residui, ma anche molto piccole:

• L’insulina è una delle proteine più piccole che ha una funzione ormonale (coinvolto nella regolazione di concentrazione di glucosio nel sangue). La sua struttura è formata da 2 peptidi, uno di 21 residui e l’altro di 30, che si associano insieme e costituiscono la proteina.
• La mioglobina è una vera e propria proteina, lunga 153 residui ma ancora “piccola”.
• La glutammina sintetasi è grande, formata da 12 catene polipeptidiche ognuna formata da quasi 500 residui. Le 12 catene si associano e conferiscono una struttura molto grande che ha un peso molecolare elevatissimo.

Queste molecole hanno un’architettura tridimensionale specifica e complessa.

↓ Vuol dire che una determinata proteina assume una determinata struttura tridimensionale e la proteina di un altro tipo assumerà una struttura tridimensionale diversa specifica per quella proteina.

Molte proteine sono programmate per legarsi con altre molecole che possono essere ioni o derivati di vitamine che possono specializzare ancora di più una proteina.

Sintesi proteine

Il flusso dell’informazione genetica va dai geni alle proteine attraverso l’RNA messaggero. Le proteine vengono sintetizzate attaccando gli amminoacidi al primo di essi per cui si allungano all'estremità C-terminale.

Essendo espressione dell'informazione genetica, come i geni, sono oggetto di modifiche evolutive che cambiano struttura e funzione alle proteine: si adattano a seconda della direzione che sta prendendo la specie che contiene il gene che produce quella proteina.

Funzioni proteine

Sono gli effettori della funzione biologica, cioè quelli che svolgono varie attività:

• Attività catalitica: gli enzimi, ossia proteine che promuovono, regolano e rendono più veloce certe reazioni del metabolismo;
• Attività regolativa: l’insulina potrebbe essere una proteina di questo tipo;
• Attività di trasporto: ossia prendere certi metaboliti e certi nutrienti che magari sono poco solubili e trasportarli attraverso il sangue ai loro bersagli;
• Attività di riserva energetica: verranno demolite quando c’è bisogno di produrre energia metabolica;
• Attività strutturale: proteine che costituiscono proprio meccanicamente le strutture biologiche come le proteine del muscolo e quelle del collagene); ci sono proteine contrattili del muscolo, ma anche quelle strutturali;
• Attività di difesa: gli anticorpi che devono riconoscere le proteine estranee (come le proteine virali) e neutralizzarle o inviarle a delle vie di degradazione. I vaccini stimolano la produzione di queste molecole di difesa.

Proprietà conformazionali

Questi polipeptidi si devono raggomitolare per funzionare: nel raggomitolarsi devono rispettare alcune condizioni stereochimiche necessarie.

Il legame peptidico è un parziale doppio legame e, avendo le caratteristiche intermedie fra doppio legame e singolo legame, non permette la rotazione dei sostituenti, costringendoli a stare su un piano perché c’è una barriera energetica.

! Domanda d’esame: spiegare la struttura legame peptidico che si è formato dall’unione delle 2 strutture di risonanza che esistono contemporaneamente e danno questa proprietà speciale (cioè caratteristiche intermedie) e specifica a questo legame.

Una delle 2 strutture di risonanza (la seconda nella figura) implica una separazione di carica per l’assetto elettronico che rende possibile questo doppio legame, necessariamente l’azoto ha una carica positiva e l’ossigeno ha una carica negativa, quindi c’è una separazione di carica che induce la formazione di un dipolo;

Ad ogni legame peptidico può essere associato un piccolo momento dipolare generato proprio dal fatto che nel legame singolo c’è una distribuzione omogenea degli elettroni, nel caso della risonanza che implica il doppio legame, c’è una separazione di carica, quindi inevitabilmente si forma un momento dipolare.

Il carbonio nero, carbonilico legato all’ossigeno, vi è il legame peptidico e l’azoto con il suo idrogeno.

È ancora più evidente in quella forma di risonanza in cui c’è una carica negativa sull’ossigeno e una carica positiva sull’azoto, che c’è un momento dipolare in cui qui (sopra) c’è la parte negativa e in questa direzione (sotto) la parte positiva;

Il fatto che il legame peptidico ha una natura parziale di doppio legame implica altre complicazioni: ci possono essere degli isomeri cis-trans perché possiamo immaginare che possono esistere 2 tipi di legami peptidici. Come nel caso delle molecole organiche che contengono doppi legami, se i sostituenti sono diversi possiamo avere una stereoisomeria di tipo cis-trans.

Questa è la struttura normale del legame peptidico. Questa è la forma pseudo-trans perché i carboni alfa sono dal lato opposto rispetto al legame peptidico.

Però può esserci anche un legame peptidico ribaltato che è sempre planare, questa è la forma pseudo-cis con le sfere violette che simboleggiano le catene laterali.

Qual è l’isomero, lo stereoisomero più frequente nelle proteine?

Lo pseudoisomero più frequente è la forma pseudo-trans perché c’è meno ingombro sterico. Nella forma pseudo-cis gli atomi sono troppo vicini fra loro e c’è repulsione sterica per cui l’energia diventa elevata e la molecola diventa una forma impossibile, ad eccezione del caso in cui sul lato C-terminale c’è la prolina.

La prolina ha una natura particolare che la rende un po’ diversa da tutti gli amminoacidi; se su quel lato c’è la prolina, sia lo pseudoisomero trans che il cis hanno una stabilità che non è molto diversa l’una dall’altra.

Interpretazione immagine

• Nero: carbonio alfa
• Grigio: carbonio carbonilico
• Rosso: ossigeno
• Blu: azoto
• La catena laterale che nella prolina, ma solo in essa, si lega all’azoto

La catena si ripiega e, di fatto, è un amminoacido ciclico.

→ La figura a sinistra è lo stereoisomero trans infatti i carboni alfa sono da parti opposte.

→ La figura a destra è quello cis: i carboni alfa sono tutti e due dalla stessa parte;

→ La catena laterale è vincolata all’atomo di azoto.

Anche visto da lontano, l’ingombro sterico, le repulsioni steriche non sono tanto diverse dal trans al cis, infatti quello che si vede è che nelle proteine reali, circa un legame peptidico su quattro di quelli che contengono la prolina sono in configurazione cis. Però la configurazione cis non è equivalente a quella trans. La differenza è che la configurazione cis introduce una sorta di piegatura nella catena polipeptidica.

Flessibilità della catena polipeptidica

Il legame peptidico è vincolato a stare su un piano però nella catena polipeptidica ci sono dei legami che hanno una maggiore libertà rispetto al legame peptidico. Sono questi che permettono alla proteina di raggomitolarsi quando essa si trova in soluzione.

Proteina: una serie di legami peptidici (quadratini verdi) che sono vincolati tra di loro, ma che sono collegati, incernierati ad un carbonio alfa; tra un legame peptidico e l’altro c’è il carbonio alfa. I legami che legano il carb