Proteine

IL LEGAME PEPTIDICO:

- Presenta una struttura rigida planare, cioè i 4 atomi che sono impegnati nel

legame peptidico, C e O provenienti dal gruppo carbossilico e N e H

provenienti dal gruppo amminico, sono rigidamente sullo stesso piano, non

possono ruotare intorno a sé stessi. Quindi le rotazioni sono soprattutto a

carico dei carboni alfa. (La rotazione è importante perché una molecola per

disporsi nello spazio tridimensionalmente ha bisogno che anche i singoli atomi

possano ruotare su sé stessi)

-Tra gli atomi che formano il legame peptidico esiste uno sbilanciamento di

cariche

Il ripiegamento della molecola proteica dipende dalla sequenza degli amminoacidi.

Se noi abbiamo una sequenza amminoacidica di una proteina possiamo anche

proibirne la struttura tridimensionale perché non sono infinite le possibilità di

organizzazione strutturale che siano però termodinamicamente stabili, anzi non

sono infinite ma ne esiste una sola, a meno che non ci sia una fosforilazione, quindi

aggiungiamo un gruppo carico negativamente, a quel punto può cambiare, ma non

in altre 200 strutture, ma in un’unica struttura che sarà altrettanto

termodinamicamente stabile.

Quante proteine l’evoluzione avrebbe potuto potenzialmente generare? potenzialmente

tantissime

Già se consideriamo solamente le proteine tetrapeptidiche, le quali non esistono

poiché sono composte solo da 4 amminoacidi, ci troviamo nel centinaio di migliaia di

possibilità. Una proteina ha generalmente 200-400 amminoacidi, quindi si parlerà di

20 elevato alla 200,300ª, i quali sono dei numeri illeggibili, dalle dimensioni

pazzesche. Ma nella realtà dei fatti non è così e ciò non dipende dalla presenza di

migliaia e migliaia di miliardi le proteine esistenti, ma bensì sono meno di 100000 le

proteine note per tutti gli organismi viventi conosciuti.

Durante l’evoluzione c’è stata una limitazione incredibilmente vasta di possibilità di

generare proteine, cioè di come mischiare gli amminoacidi tra di loro per avere una

proteina che potesse svolgere una determinata funzione.

Il problema risulta essere sempre lo stesso: le proteine per funzionare devono

trovarsi in ambiente acquoso e quindi devono rispondere a determinate

caratteristiche, dove in realtà, al contrario di quello che si potrebbe pensare, la

migliore combinazione non è quella di avere amminoacidi tutti polari che possono

interagire con l’acqua, ma di avere il giusto mix di amminoacidi polari ed apolari, con

catene apolari e polari che si intervallano in maniera regolare tra di loro.

Questo accade per quale motivo?

Perché in un ambiente acquoso una proteina che è composta da 300-400

amminoacidi, globulare, può tranquillamente organizzarsi disponendo le catene

laterali apolari all’interno e all’esterno, invece, quelle polari. Questa disposizione

rende molto stabile, dal punto di vista termodinamico, la proteina.

Perché la proteina deve essere stabile?

Immaginate un enzima che deve avere una determinata tasca, che è in grado non

solo di avere alta affinità per il substrato, ma anche di elaborarlo, modificarlo in

qualcos’altro. Se la proteina avesse una struttura tridimensionale non stabile

cambierebbe di continuo, non troveremo mai in quel millisecondo in cui può legare

il substrato ed anche elaborarlo.

Se andiamo a vedere i principali amminoacidi: sono polari ed apolari in numero

pari.

Scartiamo tutte le combinazioni di amminoacidi solo polari e solo apolari, le

combinazioni in cui i primi 50-100 amminoacidi sono apolari, perché anche qui

l’organizzazione sarebbe molto complessa e scartiamo anche quelle in cui la maggior

parte degli amminoacidi sono solo acidi o esclusivamente basici, perché non

avrebbero modo di strutturarsi tridimensionalmente. Continuando a scartare, ci

rendiamo conto che le proteine esistenti sono le uniche combinazioni

amminoacidiche vincenti, dal punto di vista di poter combinare la struttura

tridimensionale con una determinata funzione.

In particolare, concentriamoci sulla Tirosina e sulla Cisteina.

La Tirosina viene presentata come polare e la Cisteina come apolare. Tuttavia, ci

sono numerosi testi che le riportano in maniera differente, ovvero Cisteina come

polare e Tirosina come apolare. La Cisteina ha un gruppo SH, che è un gruppo polare

e quindi per molti biochimici quell’amminoacido è polare, in quanto vi è la presenza

di un gruppo polare. Anche la Tirosina ha un gruppo ossidrilico, però la sua struttura

pressoché identica a quella della Fenilalanina, che è un amminoacido fortemente

apolare, perché possiede un anello aromatico apolare. Quindi si è ritenuto che la

apolarità di tutta questa struttura non possa essere compensata da un semplice

gruppo ossidrilico.

Quando una molecola è polare intendiamo che è solubile in acqua. Se osserviamo la

solubilità: la Tirosina è discretamente solubile in acqua, ma la Cisteina no. Quindi la

prima delle due classificazioni risulta essere quella più attendibile.

Le proteine possono organizzarsi strutturalmente nelle forme più disparate.

(moltissime proteine presentano una organizzazione strutturale globulare, sferica)

Alcuni esempi:

Forma sferica: Actina, Tubulina

Forma distesa: Cheratine, Collageni

La struttura delle proteine si studia principalmente mediante la cristallografia ai

raggi x, la quale è una metodologia estremamente complessa; infatti, per moltissime

proteine non si è riusciti ad ottenere il cristallo utile per poterlo analizzare (È del

tutto casuale che si formi il corretto cristallo), ma non è costosa. Inoltre, la struttura

proteica può essere anche studiata mediante la risonanza magnetica nucleare, la

quale aiuta molto nella comprensione della struttura tridimensionale della proteina.

Le proteine hanno diversi livelli di organizzazione strutturale:

Le principali sono: primaria, secondaria e terziaria.

Alcune proteine (anticorpi), quelle che sono formate da più polipeptidi, presentano

una struttura quaternaria. Un esempio tipico di proteina che possiede una struttura

quaternaria è l’Emoglobina. L’Emoglobina è formata da due catena alfa, due catene

beta e un gruppo eme (gruppo prostetico), il quale non è di natura proteica e lega il

ferro, il quale a sua volta lega l’ossigeno per trasportarlo nel sangue.

Le strutture supersecondarie, invece, sono un intermedio tra struttura secondaria e

terziaria.

Siamo anche in grado di suddividere le proteine in domini strutturali, il quale

dominio sarà solo una porzione della proteina e non l’intera struttura terziaria.

-La struttura primaria è una sequenza amminoacidica

-La struttura secondaria presenta 2 tipologie

-La struttura terziaria è la organizzazione strutturale 3D globale della proteina,

quindi di tutta la proteina

-La struttura quaternaria è la combinazione di più di un peptide, che servono a

comporre la proteina da un punto di vista funzionale

La struttura primaria non è altro che la sequenza lineare di amminoacidi legati tra di

loro mediante un legame covalente, cioè peptidico. Una volta determinata la

struttura primaria della proteina, la struttura secondaria e terziaria vengono da sé

perché è obbligata a formare, data la sequenza amminoacidica, una determinata

struttura finale. Però c’è una intermedia secondaria.

La secondaria è caratterizzata dal fatto che è tenuta insieme da dei legami a

idrogeno, cioè legami deboli. Parliamo di legami a idrogeno non tra le catene

laterali degli amminoacidi, ma di legami formati tra il gruppo carbossilico e il gruppo

amminico di due differenti legami peptidici. I due amminoacidi possono trovarsi a

distanza predeterminata in una delle due strutture secondarie caratteristiche e ad

una distanza che può essere nettamente maggiore nell’altra.

Alfa-elica e foglietto-beta sono le due strutture secondarie che ritroviamo nella

maggior parte delle proteine, non necessariamente entrambe in tutte le proteine.

Nelle alfa-eliche, un certo numero di amminoacidi, circa 20-30, sono organizzati in

questo tipo di struttura. Il fatto fondamentale è che il passo dell’elica di circa 3,6

residui comporta che il legame ad idrogeno che si stabilisce il gruppo carbossilico e il

gruppo amminico di 2 amminoacidi differenti, questi ultimi necessariamente si

trovano alla distanza di circa 4 amminoacidi l’uno dall’altro.

In generale, le strutture secondarie, alfa-elica e foglietto-beta, rappresentano circa il

50-60% dell’organizzazione globale della proteina in termini di numero di

amminoacidi, ma non c’è nessuna proteina in cui tutti gli amminoacidi sono

organizzati in strutture secondarie.

Nel foglietto-beta, invece, troviamo amminoacidi che sono posti in maniera lineare,

con una schematizzazione in piani differenti. Questa volta i legami idrogeno non si

formano tra gli amminoacidi di un singolo foglietto, ma tra gli amminoacidi di due

foglietti adiacenti. Quindi non possiamo predire la distanza, il numero di

amminoacidi che formano questo tipo di legame. Avvolte questi foglietti possono

essere tenuti insieme anche da regioni che non sono strutturate né alfa e né beta. Di

conseguenza il numero di amminoacidi non è prevedibile.

Le due tipologie di strutture, alfa-elica e foglietto-beta, vengono definite secondarie

non perché appartengono alla singola proteina, ma, per esempio, se c’è una alfa-

elica in una proteina, questa avrà le stesse caratteristiche di tutte le alfa-eliche di

tutte le altre proteine e lo stesso vale per i foglietti-beta.

Quanto sono presenti?

A parte la Mioglobina, non si va mai oltre il 50%, quindi significa che nel resto della

proteina gli amminoacidi sono organizzati non in struttura secondaria, né alfa né

beta. Ci sono alcune classi di proteine delle quali possiamo predire la presenza di

alfa-eliche, perché l’alfa-elica è il modo migliore per poter attraversare una

membrana biologica, costituita da lipidi e quindi quella componente che è

idrofobica. Visto che le proteine hanno seguito, nel corso dell’evoluzione, una logica

strutturale non possiamo immaginare di avere delle alfa-eliche esclusivamente

costituite da amminoacidi idrofobici, ma ci saranno sicuramente anche amminoacidi

idrofilici e possiamo disporre le loro catene laterali all’interno dell’alfa-elica, mentre

quelle idrofobiche all’esterno ad interagire con le code idrofobiche di lipidi. Nella

stragrande maggioranza dei casi la porzione di amminoacidi che attraversa la

membrana è organizzata in alfa-elica.

I foglietti-beta sono estremamen