1. Generalità delle proteine (strutture, legame peptidico e paradosso di Levinthal)

LEGAME PEPTIDICO

Gli aminoacidi si legano tra loro per formare proteine attraverso un legame peptidico. Questo è un legame di disidratazione, cioè nel formare si ha la perdita di una molecola di H2O. Precisamente, il legame peptidico si realizza tra un gruppo aminico di un aminoacido e un gruppo carbossilico di un altro aminoacido, adiacente al primo.

Il legame peptidico è un legame in risonanza. Per comprendere questa definizione, rappresentiamo il legame peptidico come segue:

In questa immagine le lettere "R" non indicano le catene laterali ma le porzioni di aminoacidi che sono state sostituite con questa lettera per semplici motivi di comodità. Quindi, guardando l'immagine sopra riportata, possiamo comprendere che nulla vieta all'azoto di ribaltare i suoi doppietti elettronici e, quindi, utilizzarli per fare un secondo legame con il carbonio, costringendolo a restituire il doppietto elettronico all'ossigeno.

Di conseguenza,

L'azoto avrà una parziale carica positiva (perché condivide due suoi elettroni con il carbonio) e l'ossigeno avrà una parziale carica negativa (perché ha ricevuto due elettroni che prima erano impiegati nel doppio legame carbonio-ossigeno). Se consideriamo la nuova conformazione: notiamo che nulla vieta all'ossigeno di ribaltare il suo doppietto, costringendo l'azoto a riprenderselo e, quindi, si ritorna alla forma iniziale:

Per questo motivo si dice che il legame peptidico è un legame di risonanza: cioè presenta caratteristiche intermedie tra un legame singolo e un legame doppio. Proprio perché il legame peptidico ha la caratteristica di "quasi doppio legame" (per il motivo appena esposto), la rotazione attorno a tale legame è vietata. La rotazione può avvenire solo attorno agli angoli φ (fi) (cioè attorno al legame C-R) e attorno agli angoli Ψ (psi) (cioè attorno al legame N-R).

Ovviamente, queste rotazioni non sono sempre concesse. Esse, una volta avvenute, fanno sì che due parti della proteina vengono a trovarsi molto più vicine di quanto lo erano precedentemente. Se, però, queste parti hanno stessa carica si respingono e, quindi, la rotazione anche intorno a quegli angoli è sfavorita. Oppure, questa rotazione può essere sfavorita quando le catene laterali sono troppo grandi e quindi ingombranti per favorire la rotazione intorno a questi angoli. Se, invece, le catene laterali, che si avvicinano in seguito alla rotazione intorno a questi angoli, hanno carica opposta si formano ponti salini che stabilizzano la molecola. Oppure queste rotazioni sono favorite quando le catene laterali sono idrofobiche. Una proteina, proprio perché non è altro che un insieme di legami peptidici fra gruppi carbossilici e gruppi aminici degli aminoacidi, avrà necessariamente un estremità con un gruppo aminico libero (estremità

L'estremità N-terminale di una proteina è caratterizzata da un gruppo amminico libero, mentre l'estremità C-terminale presenta un gruppo carbossilico libero. Le proteine possono essere suddivise in base al numero di aminoacidi che le compongono:

• Oligopeptidi: composti da 15-20 aminoacidi
• Polipeptidi: composti da 21-100 aminoacidi
• Macroproteine: composte da più di 100 aminoacidi

La titina è la proteina più lunga finora identificata.

La struttura secondaria delle proteine è determinata dalla formazione di legami idrogeno all'interno della catena polipeptidica. Un legame idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno e un atomo fortemente elettronegativo, come l'ossigeno. L'atomo di idrogeno avrà una parziale carica positiva, mentre l'atomo elettronegativo avrà una parziale carica negativa.

perché attira gli elettroni dell'idrogeno, avrà una parziale carica negativa. Quindi, proprio per questa caratteristica, si tratta di un legame covalente polare. Nel caso delle proteine, i legami idrogeno sono i responsabili della formazione di strutture secondarie. Ci sono due tipi principali di strutture secondarie: alfa-elica e foglietto beta. Nell'alfa elica si formano i cosiddetti legami idrogeno a piccola distanza: si tratta di legami idrogeno che si instaurano tra aminoacidi vicini, ad esempio tra il gruppo CO del primo aminoacido e il gruppo NH di un altro aminoacido che si trova a distanza di quattro aminoacidi dal primo (cioè il 5°); in questo modo il secondo aminoacido si trova in prossimità con il settimo e forma un altro legame idrogeno, il terzo aminoacido si trova in prossimità dell'ottavo e forma con questo un legame idrogeno e così via. Si forma, quindi, un numero gigantesco di legami idrogeno. I legami idrogeno che

Si instaurano in una proteina sono proprio i responsabili della stabilizzazione della struttura ad alfa-elica. La lunghezza media di un alfa elica è di 10 aminoacidi ma può variare dai 5 ai 40 aminoacidi. In un'alfa elica, i residui R (le catene laterali degli aminoacidi) si trovano esposti al di fuori di un cilindro immaginario. Per ogni giro dell'elica ci sono da 3 a 6 unità amminoacidiche. L'elica più presente nelle proteine è quella destrorsa, le sinistrorse sono teoricamente meno stabili e non sono mai state osservate nelle proteine. Generalmente tutte le proteine tendono a formare alfa eliche, tuttavia questa conformazione non è possibile in tutte le regioni di una proteina a causa dell'ingombro sterico dei residui laterali di alcuni aminoacidi, o a causa della carica di due aminoacidi che vengono a trovarsi vicino in un'alfa elica. Inoltre se tutte le proteine fossero uguali (aventi stessa struttura) non ci sarebbe vita.

Un esempio di proteina la cui struttura è formata unicamente da alfa-eliche è la ferritina. Un aminoacido come la prolinatende a non formare alfa eliche dal momento che la catena laterale di questoaminoacido si chiude sull'atomo di azoto, quindi l'idrogeno legato all'azoto non è liberodi formare legami con l'ossigeno. PROLINA

Di seguito viene riportata una tabella in cui sono elencati tutti i 20 aminoacidi cheformano proteine e per ogni aminoacido è riportata la frequenza con cui è statoosservato o nell'alfa elica o nei foglietti beta. Tenendo conto della tabella sottoriportata, osserviamo che la prolina, sebbene abbiamo detto sia un aminoacido chesfavorisce la formazione delle alfa eliche, è stata osservata con una frequenza pari a0,52 in strutture ad alfa elica. Tuttavia strutture ad alfa elica in cui si presenta laprolina risultano essere molto poco stabili.

Avendo a disposizione una sequenza di aminoacidi,

utilizzando la tabella di sopra, possiamo andare a predire che tipo di struttura potrebbe favorire ogni aminoacido. Se ci sono più aminoacidi vicini che, ad esempio, sono stati osservati con una frequenza elevata in strutture ad alfa elica piuttosto che in strutture a foglietto beta, quella porzione di sequenza sicuramente assumerà una struttura ad alfa elica. Se determinate regioni di una proteina assumono una struttura ad alfa-elica, altre regioni della stessa proteina assumono una conformazione a foglietto beta. Pertanto, in una proteina osserveremo sia l'uno che l'altro tipo di struttura. Nel caso dei foglietti beta, si formano i cosiddetti legami idrogeno a lunga distanza: se prima i legami idrogeno si formavano, ad esempio, tra aminoacidi distanziati di quattro, ora si formano tra aminoacidi distanziati di 10 o anche di più, cioè si formano legami idrogeno tra aminoacidi appartenenti a due porzioni molto distanti della catena polipeptidica. In questo modo,estremità C di una catena adiacente. Nel caso dei foglietti beta paralleli, i legami a idrogeno non sono planari, ma la struttura è comunque stabile. La formattazione del testo utilizzando tag html è la seguente:

Due porzioni della catena si troveranno l'una a fianco dell'altra e gli aminoacidi di una porzione interagiscono per mezzo di legami idrogeno con gli aminoacidi dell'altra porzione:

Nel caso dei foglietti beta, le catene laterali si estendono al disopra e al disotto del piano mediano del "foglietto", risultando in questo modo poco distanziate tra loro; è per questo motivo che tale struttura si trova di preferenza in proteine (o tratti di proteine) con residui poco voluminosi.

Nella struttura a foglietto ripiegato, i tratti di catena proteica possono essere affiancati reciprocamente in senso antiparallelo o parallelo. Nel primo caso (foglietti beta antiparalleli) i legami a idrogeno che si vengono a formare sono planari e questo rende l'energia di legame più elevata e conseguentemente la struttura più stabile. Il fatto che i legami a idrogeno siano planari dipende dal fatto che ogni estremità N si trova in corrispondenza di ogni estremità C di una catena adiacente. Nel caso dei foglietti beta paralleli, i legami a idrogeno non sono planari, ma la struttura è comunque stabile.

gruppo carbossilico CO col quale l'idrogeno dell'azotosi lega. Quindi l'H legato a N si trova sullo stesso piano dell'O legato al C.

Nel secondo caso (foglietti beta paralleli) i legami a idrogeno che si vengono a formare sono meno forti e di conseguenza la struttura è meno stabile. In questo caso, la disposizione sfalsata dei legami idrogeno dipende dal fatto che ogni estremità N si trova in corrispondenza dell'estremità N di un altro aminoacido e ogni gruppo carbossilico CO si trova in corrispondenza di un altro gruppo carbossilico di un altro aminoacido. Quindi l'idrogeno legato all'azoto e l'ossigeno legato al C si trovano sfalsati.

Ogni porzione della catena polipeptidica che contribuisce a formare il foglietto beta, prende il nome di beta-strand. Il foglietto beta, costituito dai vari β-strand, prende il nome di beta-sheet.

Guardando l'immagine sopra riportata, possiamo fare riferimento al concetto di TOPOLOGIA

Con il termine "topologia" ci si riferisce al modo in cui si susseguono (sono connessi) gli elementi di struttura secondaria. Ad esempio, due porzioni di una proteina hanno entrambe una struttura a foglietto beta. Questa struttura è rappresentata con delle frecce, dove le frecce sono i singoli beta strand, disposte una a fianco dell'altra. In una proteina, ad esempio, i puntali della freccia sono diretti in una medesima direzione, nell'altra proteina i puntali della freccia sono, ad esempio, diretti in una posizione, un altro nella posizione opposta, un altro nella stessa posizione del primo e così via. Quindi le due porzioni di proteina, sebbene presentino la medesima struttura secondaria, hanno topologia differente.

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