Proteine: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria

Le proteine

Presentano diversi livelli gerarchici relazionati uno all’altro: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Sono polimeri.

Il termine proteina deriva dal greco e significa “al primo posto”, perché risultano essere le più abbondanti nell’organismo (togliendo l’acqua). Sono ancora macromolecole più importanti in termini di funzioni biologiche: le proteine possono essere considerate come le macromolecole effettrici all’interno dei processi biologici, trasformando l’informazione genetica da informazione ad attività biologica. Lo fanno soprattutto a livello molecolare, e infatti, le singole molecole di una proteina spesso rappresentano delle nano strutture.

Il sistema propulsore del flagello batterico, costituito da un complesso di proteine, è una sorta di motore molecolare.

Principali proteine

Tra le principali proteine vi sono:

• Proteine strutturali (collagene, cheratine),
• Proteine contrattili (actina, miosina, tubuline),
• Proteine del sistema immunitario (immunoglobuline),
• Proteine trasportatrici: (mioglobina, emoglobina),
• Canali,
• Recettori,
• Alcuni ormoni,
• Enzimi.

α-amminoacidi

Le proteine sono polimeri. Le unità che formano le proteine sono α-amminoacidi. Essi sono più piccoli dei nucleotidi, ma più numerosi. La catena principale in comune è minore dei nucleotidi. Tutti gli amminoacidi possiedono un gruppo amminico e un gruppo carbossilico legati al carbonio α.

Un gruppo è acido e uno è basico, quindi gli amminoacidi sono tipiche sostanze anfotere e i due gruppi sono ionizzabili deboli, però, dato che i valori di pka sono 2 e 10, quindi a pH fisiologico saranno in forma ionizzata, in particolare lo saranno entrambi, quindi sono complessivamente neutri, dell’amminoacido, ma dotati di due gruppi carichi con carica opposta. Questa forma ionica è detta forma zwitterionica, forma prevalente degli amminoacidi liberi a pH neutro.

I geni codificano, con i loro codoni, 20 diversi α-amminoacidi, per cui le proteine sono costituite da polimeri di 20 possibili amminoacidi. Esistono delle specie di organismi che codificano anche per altri due amminoacidi: selenocisteina e pirrolisina.

Per la presenza del carbonio α, gli amminoacidi hanno almeno un centro chirale, quindi esistono due enantiomeri: L e D. Nelle proteine sono incorporati solo gli enantiomeri L di ciascun α-amminoacido, che sono anche i più abbondanti negli organismi viventi.

Classificazione amminoacidi

Gruppo R alifatico

Viene inclusa anche la glicina, particolare perché α-amminoacido è l’unico non chirale, mentre gli altri hanno un gruppo R che risulta una catena alifatica che può essere ramificata o meno.

La prolina è una eccezione: può essere classificata come amminoacido alifatico perché contiene una catena alifatica, ma risulta chiuso. Non è un gruppo amminico primario, ma secondario. In tutti gli altri amminoacidi il legame C-N permette qualsiasi angolo di torsione, ruotando liberamente, in questo caso il legame è più vincolato perché appartiene ad un ciclo.

Gruppo R aromatico

Presentano almeno un anello benzenico. Sono fortemente idrofobiche. Gli amminoacidi aromatici conferiscono alle proteine la proprietà di assorbire la luce ultravioletta alla lunghezza d’onda 260-280 nm (soprattutto il Trp). Il Trp è anche fluorescente. La tirosina è debolmente acida e si ionizza in ambiente basico a dare un gruppo fenolato.

Gruppo R contenente zolfo o ossidrili

Si tratta in genere catene laterali polari. Quella della Met (gruppo tioetere) è la più idrofobica. Catene laterali di Ser e Thr possono formare legami-H. I gruppi sulfidrilici si ossidano facilmente e sono in grado di reagire tra di loro a dare un gruppo che si chiama gruppo disolfuro, o ponte disolfuro, perché fa da ponte tra due molecole di cisteina. La presenza di tali ponti è importante in molte proteine.

Gruppo R basico

In ordine di basicità crescente: His, Lys, Arg. Residui di Lys e Arg nelle proteine sono ionizzati a pH fisiologico. Le catene laterali degli amminoacidi basici possono formare legami-H. La catena laterale della His ha carattere aromatico (anello imidazolico).

Gruppo R acido o contenente un gruppo ammidico

Asp e Glu sono acidi relativamente forti. I loro residui presenti nelle proteine sono ionizzati a pH fisiologico. Le corrispondenti ammidi (Asn e Gln) non sono invece ionizzabili, ma sono fortemente polari. Le catene laterali di tutti questi amminoacidi possono formare legami-H.

Amminoacidi modificati

Nelle proteine non esistono solo amminoacidi proteinogenici, ma in alcune proteine sono presenti amminoacidi modificati, modificati attraverso processi post-traduzionali, che cambiano alcuni residui amminoacidici, per cui alcune proteine, una volta mature, possono contenere amminoacidi modificati. Esistono poi anche modificazione transitorie e hanno la funzione di regolare le proprietà delle proteine che le possono presentare.

Selenocisteina e pirrolisina

La selenocisteina (Sec, o Se-Cys) è formalmente un derivato della Cys in cui l’atomo di S è sostituito da uno di selenio (Se). Ha proprietà simili a quelle della Cys, compresa la capacità di formare legami diseleniuro. È un amminoacido estremamente raro, presente in poche selenoproteine note (tutte enzimi).

La Sec è introdotta nelle proteine nel corso della loro sintesi, ed è codificata da uno speciale codone UGA, che normalmente è un codone di stop, associato a uno speciale elemento di struttura secondaria dell’mRNA. La pirrolisina è stata osservata in specie procariotiche di archeobatteri.

Insieme alla selenocisteina, ha una funzione enzimatica. Esistono amminoacidi che non fanno parte di proteine e sono diversi dagli amminoacidi proteinogenici. Alcuni sono D-amminoacidi, alcuni non sono α-amminoacidi.

Legame peptidico e peptidi

Le proteine sono costituite da una o più catene polipeptidiche (il legame si chiama legame peptidico) che sono eteropolimeri e sono catene polimeriche lineari. Anche in questo caso, il legame tra due amminoacidi costituisce una reazione di condensazione. Il legame tra due residui amminoacidici comporta la formazione di un legame tra gruppo carbossilico e gruppo amminico. Il legame è un legame ammidico, che, nel caso degli amminoacidi, prende il nome di legame peptidico. I gruppi coinvolti nel legame non risultano più essere ionizzabili: rimangono tali nei residui terminali della catena.

I prodotti di polimerizzazione si chiamano peptidi e, a seconda del numero dei residui, si parla di dipeptidi, tripeptidi, tetrapeptidi, oligopeptidi (formato da pochi residui amminoacidici) e polipeptidi (molti residui amminoacidici). Ciò che resta di un amminoacido in un peptide rappresenta un residuo amminoacidico. Il peptide ha una catena principale di atomi costituiti dalla parte costante, essa è lo scheletro del polipeptide.

Tutti i residui hanno l’azoto da un lato e il carbonio carbossilico dall’altro. Le catene polipeptidiche hanno una polarità. La maggior parte oligopeptidi e peptidi presenti in natura ha una struttura lineare, con estremità amino-terminale (N-terminale) e carbossi-terminale (C-terminale) libere.

Non è detto che le estremità siano libere: possono essere modificate chimicamente. Esistono anche polipeptidi ciclici. Nonostante ciò, è sempre possibile riconoscere i singoli residui. Ogni polipeptide contiene almeno un gruppo α-amminico basico e un gruppo α-carbossilico acido. Le proteine sono quindi dei polianfoliti. Ciò è importante perché l’attività biologica risente della variazione del pH.

Il valore di pK di ogni gruppo ionizzabile di una proteina dipende dal microambiente in cui si trova.

Il gruppo peptidico costituisce la porzione più abbondante della catena principale. Questa struttura, in particolare quella elettronica, è una forma limite di una struttura di risonanza ibrida. C’è una delocalizzazione del doppietto elettronico del legame π del gruppo carbonilico: ciò provoca il fatto che il legame peptidico è polare, quindi presenta un momento dipolare, e planare. Il fatto che sia planare ammette due configurazioni: cis e trans. Anche questo parziale doppio legame fa sì che il gruppo di atomi prenda conformazione cis o trans.

La configurazione trans (con i due Cα sui lati opposti del gru