Riassunto esame Biochimica, Prof. Ammendola Rosario, libro consigliato I principi di biochimica di Lehninger, Nelson, Cox

Amminoacidi, peptidi e proteine

Le proteine sono le macromolecole biologiche più abbondanti, presenti in tutti i tipi di cellule e in tutte le frazioni subcellulari. Le proteine sono gli strumenti molecolari tramite i quali si esprime l’informazione genetica. Le proteine sono formate sempre dalla stessa serie di 20 amminoacidi. Per generare una particolare proteina, gli amminoacidi vengono legati covalentemente in una caratteristica sequenza lineare. Esistono vari tipi di proteine, tra cui gli enzimi sono i composti più vari e specializzati siccome sono i catalizzatori praticamente di tutte le reazioni cellulari.

Le proteine sono polimeri di amminoacidi in cui ogni residuo amminoacidico è unito a quello vicino da uno specifico tipo di legame covalente. Tutti i 20 amminoacidi presenti nelle proteine sono alfa amminoacidi. Essi hanno un gruppo carbossilico e un gruppo amminico legati allo stesso atomo di carbonio, il carbonio alfa, e differiscono l’uno dall’altro per la catena laterale detta anche gruppo R. Fatta eccezione per la glicina, in tutti gli amminoacidi il carbonio alfa è un carbonio chirale, (lega 4 sostituenti diversi tra loro) ciò consentirebbe agli amminoacidi di esistere in due enantiomeri speculari: D e L. Ma tutti i composti biologici con un centro chirale sono presenti in natura soltanto in una forma stereoisometrica, gli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L. Le cellule sono in grado di sintetizzare specificamente l’isomero L degli amminoacidi in quanto i siti attivi degli enzimi sono asimmetrici e le reazioni che essi catalizzano sono quindi stereospecifiche.

Classificazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi possono essere divisi in cinque classi principali sulla base delle proprietà dei gruppi R, utilizzando in particolare la loro polarità, cioè la tendenza a interagire con l’acqua a pH fisiologico. I cinque gruppi sono:

• Amminoacidi con gruppi R alifatici non polari: Glicina, Alanina, Prolina, Valina, Leucina, Isoleucina e Metionina. I gruppi R di questa classe di amminoacidi sono non polari e quindi idrofobici. Le catene laterali di alanina, valina, leucina e isoleucina tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine. La glicina ha la struttura più semplice e si raggruppa più facilmente con gli amminoacidi non polari. La metionina ha un gruppo tioetere non polare nella sua catena laterale mentre la prolina ha una catena laterale alifatica con una caratteristica struttura ciclica.
• Amminoacidi con gruppi R aromatici: Fenilalanina, Tirosina e Triptofano. Questi tre amminoacidi hanno catene laterali aromatiche e sono relativamente non polari. Tutti e tre possono intervenire nelle interazioni idrofobiche.
• Amminoacidi con gruppi R polari non carichi: Serina, Treonina, Cisteina, Asparagina e Glutammina. I gruppi R di questi amminoacidi sono molto più solubili in acqua perché contengono gruppi funzionali che formano legami idrogeno con l'acqua.
• Amminoacidi con gruppi R carichi positivamente (basici): Lisina, Arginina e Istidina. I gruppi R idrofilici sono quelli che contengono cariche nette sia positive che negative. Questi amminoacidi hanno una catena laterale con una carica netta positiva a pH 7.0.
• Amminoacidi con gruppi R carichi negativamente (acidi): Aspartato e Glutammato. Questi due amminoacidi hanno gruppi R con una carica negativa netta a pH 7.0.

Oltre ai venti amminoacidi comuni, le proteine possono contenere anche altri residui amminoacidici formati per modificazione chimica dei residui già incorporati in un polipeptide. Nelle cellule infatti sono stati identificati altri 300 amminoacidi circa. Essi hanno varie funzioni ma non sono costituenti delle proteine. L’ornitina e la citrullina meritano speciale attenzione in quanto sono intermedi fondamentali della biosintesi dell’arginina e nel ciclo dell’urea.

Proprietà degli amminoacidi

Quando un amminoacido che non possiede un gruppo R ionizzabile viene sciolto in acqua a pH neutro, esso esiste in soluzione sotto forma di ione dipolare, detto anche Zwitterione, e può comportarsi come acido o come base. I composti che hanno questa doppia natura sono detti anfoterici e spesso sono chiamati anfoliti. La titolazione acido-base comporta la graduale aggiunta o rimozione di protoni a gruppi funzionali ionizzabili. Ciò permette di creare una curva di titolazione da cui è possibile ottenere le informazioni riguardo la relazione tra la carica netta dell’amminoacido e il pH della soluzione. Il pH caratteristico al quale la carica netta è zero si chiama punto isoelettrico indicato con pI.

Peptidi e polipeptidi

I peptidi presenti negli organismi viventi hanno dimensioni che variano da due o tre residui amminoacidici fino a migliaia di residui. Due molecole di amminoacidi possono unirsi covalentemente mediante un legame peptidico, formando un dipeptide. Questo tipo di legame si genera per eliminazione di una molecola di acqua dal gruppo alfa-carbossilico di un amminoacido e dal gruppo alfa-amminico dell'altro. Quando il numero degli amminoacidi è relativamente piccolo la struttura viene detta oligopeptide; se gli amminoacidi sono invece tanti, il prodotto viene chiamato polipeptide. Le unità amminoacidiche presenti in un peptide sono spesso chiamate residui. In un peptide, il residuo amminoacidico con cui termina la catena polipeptidica, il residuo amminoterminale, ha il gruppo alfa-amminico libero. Il residuo dall’altra estremità ha un gruppo alfa-carbossilico libero: viene quindi detto residuo carbossiterminale.

Come gli amminoacidi liberi, i peptidi hanno curve di titolazione caratteristiche e uno specifico pH isoelettrico, in corrispondenza del quale non si muovono in un campo elettrico. Queste proprietà sono utilizzate in alcune delle tecniche usate più frequentemente per separare peptidi e proteine.

La lunghezza delle catene polipeptidiche varia considerevolmente. Però la grande maggioranza delle catene polipeptidiche in natura contiene in genere meno di 2000 residui amminoacidici. Alcune proteine sono costituite da una singola catena polipeptidica, mentre altre chiamate proteine multisubunità, hanno due o più polipeptidi associati in modo non covalente. L’emoglobina, per esempio, contiene quattro subunità polipeptidiche: due catene alfa identiche e due catene beta identiche, unite da interazioni non covalenti. La composizione amminoacidica delle proteine è molto variabile. Alcune proteine presentano, oltre agli amminoacidi, gruppi chimici addizionali associati permanentemente. Esse sono chiamate proteine coniugate. La parte non amminoacidica della proteina coniugata viene detta di solito gruppo prostetico. Queste proteine sono classificate in base alla natura chimica del loro gruppo prostetico, per esempio, le lipoproteine contengono lipidi, le glicoproteine contengono gruppi saccaridici. Di norma il gruppo prostetico ha un ruolo determinante nella funzione biologica della proteina.

Struttura tridimensionale delle proteine

Ogni proteina ha una specifica funzione chimica o strutturale, il che suggerisce che ogni proteina ha una specifica struttura tridimensionale. La disposizione spaziale degli atomi in una proteina, o di una porzione di una proteina, è detta conformazione. Quando una proteina si trova in uno dei suoi stati conformazionali funzionali viene detta nativa. La stabilità può essere definita come la tendenza a mantenere una conformazione nativa. Le interazioni deboli stabilizzano la struttura delle proteine. In genere, la conformazione proteica con la più bassa energia libera, cioè la conformazione più stabile, è quella con il maggior numero di interazioni deboli. Le interazioni deboli predominanti in genere sono le interazioni idrofobiche. Le catene laterali idrofobiche degli amminoacidi tendono a raggrupparsi all’interno delle proteine formando il nucleo idrofobico della proteina.

Le interazioni idrofobiche sono importanti per stabilizzare la conformazione. L’interno di una proteina strutturata è in genere costituito da un nucleo di catene laterali idrofobiche addensate. È anche importante che tutti i gruppi polari o carichi all’interno delle proteine trovino le controparti corrette per la formazione di legami idrogeno ed interazioni ioniche. La presenza di gruppi che possono formare legami idrogeno nei nuclei idrofobici delle proteine senza controparte corrette può essere destabilizzante. I legami idrogeno quindi svolgono un ruolo fondamentale nel processo di ripiegamento delle proteine.

L’interazione tra gruppi con cariche opposte forma una coppia ionica, o legame salino, che può avere effetto sia stabilizzante che destabilizzante sulla struttura delle proteine. Le interazioni ioniche limitano anche la flessibilità delle proteine e conferiscono alla struttura una forma caratteristica che le interazioni idrofobiche non possono conferire. Nell’ambiente atomico altamente compatto di una proteina, può avere effetto molto significativo anche un altro tipo di interazioni deboli, le interazioni di van der Waals. Esse sono interazioni del tipo dipolo-dipolo che coinvolgono i dipoli elettrici permanenti presenti in alcuni gruppi, come il gruppo carbonilico, i dipoli transitori che derivano da fluttuazioni delle nuvole elettroniche che circondano gli atomi all’interno di gruppi funzionali dei dipoli indotti, cioè generati le interazioni di un atomo con un altro appartenente a un dipolo permanente o transitorio. In una proteina organizzata o all’interno di una regione di contatto tra due proteine, o tra una proteina e un’altra molecola con una complementarietà di superficie, il numero di queste interazioni può essere molto consistente.

La rigidità del legame peptidico limita considerevolmente il numero delle conformazioni che la catena polipeptidica può assumere. La conformazione del peptide è definita da tre angoli diedrici, detti anche angoli di torsione. (ciascun legame peptidico ha un parziale carattere di doppio legame dovuto alla risonanza e perciò non può ruotare. Mentre i legami N-C e C-C possono ruotare descrivendo due angoli diedrici chiamati rispettivamente phi e omega) Gli angoli diedrici sono phi, psi e omega, e riflettono la rotazione intorno a ciascuno dei tre legami che si ripetono dello scheletro del peptide.

L’angolo che si instaura tra questi due piani è quello che dobbiamo misurare per ottenere la conformazione di una proteina. Omega e si possono avere qualsiasi valore compreso tra meno 180 gradi e più 180 gradi, ma molti valori non sono permessi a causa degli impedimenti sterici. L’espressione struttura secondaria si riferisce a un segmento polipeptidico della proteina e descrive l’organizzazione spaziale della catena principale. Una struttura secondaria regolare sia quando ogni angolo diedro rimane invariato all’interno di un segmento. Solo poche strutture secondarie hanno una particolare stabilità.

Le principali sono l’Alfa elica e la conformazione beta; abbastanza comune è anche il ripiegamento beta. Se non è possibile individuare una struttura regolare, la struttura secondaria viene definita casuale. Quest’ultima definizione, però è impropria, perché l’avvolgimento di uno scheletro polipeptidico non è mai casuale, ma assume sempre una conformazione specifica, adatta alla struttura è la funzione della proteina. Nella struttura Alfa elica lo scheletro carbonioso polipeptidico si avvolge strettamente intorno a un asse immaginario che attraversa longitudinalmente la parte centrale della spirale, mentre i gruppi R di residui amminoacidici sporgono al di fuori dello scheletro elicoidale. Ogni giro dell’elica contiene 3,6 residui.

I segmenti di Alfa elica nelle proteine spesso si discostano leggermente da questi valori e possono variare anche all’interno di un singolo segmento. Si formano così lievi torsioni o ripiegamenti rispetto all’asse dell’elica. L’Alfa elica destrorsa costituisce la forma più comunemente presente. La struttura ad Alfa elica è quella che si forma più facilmente in quanto garantisce la migliore disposizione dei legami idrogeno infatti nell’Alfa elica ciascun legame peptidico partecipa alla formazione di legami idrogeno. Ciascun giro dell’Alfa elica è collegato ai giri adiacenti da tre o quattro legami idrogeno, che conferiscono una buona stabilità all’intera struttura.

Nel 1951 Pauling e Corey ipotizzarono l’esistenza di un secondo tipo di struttura ripetitiva, la conformazione beta. Nella conformazione beta lo scheletro della catena polipeptidica si estende in una conformazione a zig-zag. La disposizione dei diversi segmenti, tutti nella conformazione beta, l’uno accanto all’altro è detta foglietto beta. In legami idrogeno si formano tra regioni adiacenti delle catene polipeptidiche all’interno del foglietto. I gruppi R di amminoacidi adiacenti sporgono dalla struttura a zig-zag in direzioni opposte, creando un’alternanza sopra sotto. Le catene polipeptidiche adiacenti in un foglietto Beta possono essere parallele o antiparallele.

Un altro tipo di struttura comune sono i ripiegamenti beta, i quali collegano l’estremità di due segmenti adiacenti di un foglietto beta antiparallelo. La struttura è costituita di un ripiegamento a 180° di una sequenza di 4 residui, dove il gruppo carbonilico del primo residuo forma un legame idrogeno con l’idrogeno legato all’azoto del quarto. La disposizione nello spazio di tutti gli atomi di una proteina viene definita come struttura terziaria. La struttura terziaria tiene conto delle relazioni a lungo raggio nella sequenza amminoacidica. E aminoacidi che si trovano lontani in una sequenza polipeptidica e quindi fanno parte di tipi differenti di strutture secondarie possono interagire fra loro nella forma completamente avvolta della proteina.

Segmenti della catena polipeptidica che interagiscono vengono mantenuti nelle loro caratteristiche posizioni tipiche della struttura terziaria tramite diversi tipi di interazioni deboli e talora anche tramite legami covalenti, come ponti disolfuro, che si instaurano tra segmenti diversi in una proteina. Alcune proteine contengono due o più catene polipeptidiche distinte, o subunità. La disposizione di queste subunità in complessi tridimensionali prende il nome di struttura quaternaria. Considerando questi livelli strutturali, diventa utile definire due gruppi principali in cui le proteine possono essere classificate: le proteine fibrose, che hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci, e le proteine globulari, che hanno invece catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche.

Le proteine fibrose sono costituite da un unico tipo di struttura secondaria e la struttura terziaria è relativamente semplice, mentre le proteine globulari contengono più tipi di struttura secondaria. Le proteine fibrose hanno proprietà tali da conferire resistenza e/o elasticità alla struttura di cui fanno parte. In ogni caso, l’unità strutturale di base è un semplice elemento di struttura secondaria ripetuto. Tutte le proteine fibrose sono insolubili in acqua. Le Alfa cheratine fanno parte di una grande famiglia di proteine chiamate dei filamenti intermedi. L’Alfa elica dell’Alfa cheratina è destrorsa ed è presente in molte altre strutture proteiche. Due catene di Alfa cheratina con la stessa direzionalità si avvolgono una sull’altra per formare un superavvolgimento.

Questa organizzazione strutturale aumenta la resistenza dell’intero complesso. L’andamento elicoidale del superavvolgimento è sinistrorso, opposto a quello delle Alfa eliche. Molti coiled-coil possono essere integrati in grandi complessi sopramolecolari, come accade quando la Alfa cheratina entra a far parte di filamenti intermedi dei capelli. Nelle proteine globulari diversi segmenti della catena polipeptidica si avvolgono gli uni sugli altri, generando una struttura più complessa e compatta di quella delle proteine fibrose. L’avvolgimento delle proteine è anche responsabile delle diversità strutturali, che permettono una gamma di funzioni così vasta.

La struttura tridimensionale tipica delle proteine globulari può essere considerata come un insieme di segmenti polipeptidici assemblati in alfa elica e in conformazione beta, uniti da elementi di connessione. La struttura di ognuna di queste proteine, può quindi essere descritta, definendo il modo con cui i diversi segmenti si dispongono uno rispetto all’altro e come sono uniti tra loro dagli elementi di connessione. Il primo termine è il motivo, detto anche ripiegamento. Un motivo o un ripiegamento è costituito da un avvolgimento polipeptidico caratteristico, perciò ben riconoscibile, formato da due o più elementi di struttura secondaria e dagli elementi di connessione tra essi. Un esempio è l’ansa beta-alfa-beta: il motivo non può essere stabile se isolato dalla proteina, ma è semplicemente un tipo caratteristico di avvolgimento che descrive parte del peptide, o dell’intero peptide.

Il secondo termine è il dominio. Un dominio è una parte di una catena polipeptidica di per sé stabile, che potrebbe comportarsi come un’entità indipendente rispetto al resto della proteina. In una proteina con molti domini ciascuno di questi può apparire come un lobo globulare distinto. Spesso i domini differenti svolgono funzioni distinte, come per esempio il legame di piccole molecole o l’interazione con altre proteine.

Molte proteine sono formate da più subunità polipeptidiche. L’associazione di più catene polipeptidiche può svolgere parecchie funzioni. Alcuni complessi proteici di grandi dimensioni rappresentano il sito di...