Appunti di Biochimica - parte 2

LE PROTEINE FIBROSE

L α CHERATINA

L α cheratina è una proteina fibrosa ed è una delle prime proteine di cui è stata caratterizzata la struttura

tridimensionale, in natura è molto abbondante, è il principale costituente di: capelli, lana, penne, unghie, artigli,

corna, zoccoli, strati esterni della pelle e filamenti intermedi. Si passa da strutture caratterizzate da una certa

flessibilià a strutture che sono molto rigide e compatte eppure sono formate dalla stessa proteina.

L α cheratina ha una struttura ad αelica, forma una

struttura quaternaria assemblandosi con una altra struttura

ad α elica formando dei dimeri, prende il nome di

superavvolgimento ed è possibile grazie alle zone di

contatto tra le due eliche che sono rivestite da residui idrofobici.

Più strutture possono a loro volta assemblarsi, quattro

catene di α cheratina formano un protofilamento, a loro

volta possono formare le protofibrille che si assemblano

ulteriormente per generare filamenti intermedi.

L unione di tutti i filamenti intermedi forma l intero capello. Quello che accade è che

inizialmente alla base del capello, nel bulbo, sono presenti delle cellule, via via che queste

cellule si dividono e spingono le altre cellule verso l esterno, questo permette al capello

di crescere. Durante la fase di maturazione le cellule che si allontanano dal bulbo iniziano

a produrre un enorme quntità di α cheratina tanto da riempire completamente la cellula

che muore lasciando solamente il guscio.

L α cheratina è stabilizzata anche da un altro amminoacido ovvero dalla cisteina che è

presente in un certo numero all interno della struttura dell α cheratina, questo amminoacido

può andare incontro a processi di ossido riduzione e se messo vicino ad una altro

amminoacido di cisteina può formare legami covalenti a ponti di solfuro, questi ultimi sono

fondamentali all interno del capello perchè determinano la stabilità e la forma dei capelli.

La forma dei capelli è determinata dal numero di ponti di solfuro che sono presenti, il gene dell α cheratina

cambia da persona a persona per il numero di residui di cisteina. È possibile cambiare momentaneamente la

forma dei capelli rompendo i ponti di solfuro e poi ricostruendoli grazie al calore della piastra.

In base al numero di ponti di solfuro presenti le cheratine vengono classificate come:

• Dure: capelli, corna e unghie

• Soffici: pelle e callosità

L elevata insolubilità delle cheratine le rende praticamente indigeribili da parte degli animali, gli unici animali che

digeriscono l α cheratina sono le larve delle tarme che nel loro stomaco hanno delle sostanze riducenti.

IL COLLAGENO

Il collageno è una proteina fibrosa quindi insolubile, è una delle proteine più abbondanti del nostro organismo,

viene suddivisa in tre tipologie e svolge il ruolo di collante. Il collageno è una proteina rigida e inestendibile, è il

principale costituente del tessuto connettivo, dei tendini,della cartilagine, di ossa, denti, pelle e vasi sanguigni.

Nel derma della nostra pelle ci sono cellule proliferative che producono collageno che viene poi riversato

all esterno riempendo gli spazi vuoti tra le cellule creando volume e facendo da legante. Con l età il derma perde

capacità proliferative producendo meno collageno riempendo meno gli spazi tra le cellule e formando il

superficie le rughe, un modo per stimolare la produzione di collageno è con la vitamina A che è liposolubile e

riesce a penetrare all interno degli strati della pelle.

Il collageno è costituito da 1000 residui ed è organizzato in una struttura secondaria ad

α elica sinistrorsa, per acquisire le sue proprietà si organizza in una struttura quaternaria

dove tre α eliche di collageno si associano per formare un alfa elica destrorsa. Si forma

un trimero con un elevata compattezza e stabilità che derivano da una particolare

composizione amminoacidica.

Il collageno subisce delle modifiche post traduzionali all interno del reticolo endoplasmatico da parte di alcuni

enzimi, durante questo processo una buona percentuale di lisina e prolina subiscono un processo di

idrossilazione, ovvero gli vengono aggiunti dei gruppi idrossilici in più.

Un altra caratteristica del collageno da cui derivano le sue proprietà è quella di

possedere un gran numero di residui di glicina, il 33%, ovvero l amminoacido che ha

come catena laterale un H e quindi è un amminoacido molto piccolo, questo

solitamente crea una maggior mobilità dell amminoacido e porta instabilità nelle

proteine ma nel caso del collageno si osserva che quando si forma il trimero la glicina

è posizionata sempre verso l interno permettendo alle tre catene di avvicinarsi molto

fornendo stabilità.

Da un punto di vista chimico l idrossilazione viene eseguita attraverso una reazione enzimatica, gli enzimi che

catalizzano la reazione sono le prolil idrossilasi e le lisil idrossilasi chiamate anche diossigenasi perché usano

ossigeno, sono metallo enzimi perchè contengono Fe (II). Nella reazione entrano in gioco anche due molecole che

che sono l α chetoglutarato e l acido ascorbico.

Non è l unica modifica post traduzionale, l atomo di carbonio che viene idrossilato può subire un ulteriore

modifica ovvero viene legato a degli zuccheri. Gli enzimi che si occupano di questa modifica sono le glicosil

transferasi che sono una famiglia di enzimi che hanno la funzione di legare zuccheri a residui amminoacidici se

sono presenti gruppi idrossilici. Vengono legati due zuccheri diversi

ovvero un galattosio è un glucosio,

intervengono infatti due enzimi

diversi che sono la galattosil

transferasi è la glucosil transferasi.

Il collageno ha una resistenza alla tensione maggiore di quella di un filo d acciaio di uguale diametro. La

mutazione di una sola glicina nel collageno può essere letale, può ridurre la stabilità della tripla elica. Esiste una

patologia che deriva dalla mutazione di una sola glicina nel gene del collageno che è la osteogenesi imperfetta

che comporta deformità scheletriche causate da fratture multiple dovute ad ossa particolarmente fragili, questo

accade perché il collageno che solitamente da elasticità alle ossa in questo caso è assente, le ossa sono rigide e

si spezzano facilmente.

Il ruolo dell idrossilazione del collageno ha un ruolo molto importante perchè stabilizza la tripla elica formando

legami a idrogeno. L importanza di questo processo risultó chiara quando si iniziò a studiare il collageno anche di

altre forme di vita, ad esempio prendendo in considerazione il vitello, lo squalo e il merluzzo si osserva che il

numero di residui idrossilati scende proporzionalmente allo scendere della temperatura corporea.

É possibile studiare la stabilità della tripla elica attraverso degli

esperimenti, si può estrarre il collageno da un tessuto e metterlo in

soluzione, la soluzione inizialmente risulta limpida perchè è presente

come tripla elica, scaldando si osserva una transizione ad una soluzione

opalescente, quello che è avvenuto è che il collageno si è denaturato

ovvero la tripla elica si é divisa in tre singole eliche. Mettendo in un

grafico la percentuale della tripla elica in funzione dell aumento della

temperatura si ottiene una curva dove il punto di mezzo corrisponde

alla temperatura alla quale la tripla elica del collageno viene distrutta.

Si osserva che il meltinpoint del collageno delle varie specie è poco

superiore alla temperatura corporea media di quelle specie, il collageno

quindi si mantiene stabile ma basta un piccolo aumento della

temperatura per distruggerlo, l evoluzione ha scelto questa strada

perché in questo modo è più semplice modulare la sua produzione.

Questa scelta evolutiva può mettere a rischio la stabilità del collageno che dipende dal numero di residui

idrossilati ad esempio se per qualche motivo non può avvenire l idrossilazione della lisina e della prolina, si ha un

esempio storico di quando nel 1536 i marinai viaggiavano per mesi

mangiando solo carne essiccata e questo provocava lo scorbuto

le cui conseguenze vennero descritte da Jacques Cartier.

Quello che accadeva era che i marinai mangiando solo carne sotto sale o essiccata non integravano nel loro

organismo vitamina C, ovvero l acido ascorbico fondamentale per il processo di idrossilazione della lisina e della

prolina del collageno, la carenza dell acido ascorbico porta una diminuizione dei residui idrossilati e quindi ad una

temperatura di fusione del collageno piú bassa che quindi si degradava portando i danni descritti.

La stabilità del collageno deriva anche da legami covalenti che vengono definiti legami crociati, possono essere

intramolecolari o intermolecolari, i primi sono generati a partire da due residui di lisina e si formano grazie a degli

enzimi che sfruttano l ossigeno, lisil ossidasi, i secondi sono generati a partire da due residui di lisina, uno di

idrossilisina è un residuo di istidina.

Il collageno si trova in tanti tessuti che hanno stabilità, resistenza e elasticità molto diversi, in base alla funzione

che deve avere il collageno subisce modifiche post traduzionali diverse.

I primi studiosi osservando il collageno al microscopio elettronico videro che

si presentava come strutture fibrose con un bandeggio, ogni struttura fibrosa é

costituita da migliaia di triple eliche di collageno che si organizzano in maniera

estremamente regolare. Degli studi hanno permesso di capire che le zone più

scure che sono quelle con meno segnale perchè gli elettroni sono stati assorbiti

maggiormente dal campione corrispondono a zone dove la sovrapposizione dei

vari trimeri crea una zona piena, non c è discontinuità, mentre le zone più

chiare che sono quelle con più segnale perchè gli elettroni sono stati assorbiti

in quantità minore dal campione corrispondono a zone con dei buchi dove in

alcuni punti non si incontra la proteina.

Questo tipo di organizzazione ha anche un senso dal punto

di vista biologico perchè in corrispondenza di tutte le zone

chiare sono presenti le lisine idrossilate e glicosilate. Si è

scoperto che la presenza di glicosilazione in quelle zone

non è casuale, durante l osteogenesi la deposizione del

minerale idrossiepatite di calcio (ovvero la matrice

inorganica dell osso) inizia proprio da queste zone.

LA FIBROINA DELLA SETA

La fibroina é una proteina fibrosa che serve per formare la seta, dal punto di vista di produzione si utilizza il

bozzolo della trasformazione del baco a farfalla che è formato da un unico filamento costituito dalla fibroina e

dalla sericina che tiene unite le fibre di fibr