1. Struttura delle proteine

La struttura proteica

Le proteine sono i costituenti fondamentali del nostro organismo. Sono state stimate 100.000 proteine diverse tra loro.

Aminoacidi

Gli aminoacidi sono i costituenti fondamentali delle proteine. Sono distinti in:

• Aminoacidi naturali: esistenti in natura;
• Aminoacidi non-naturali (o sintetici): vengono prodotti in laboratorio.

Gli aminoacidi naturali, a loro volta, vengono distinti in:

• Aminoacidi proteici: formano le proteine e se ne contano 20;
• Aminoacidi non proteici: non si aggregano per formare le proteine e se ne contano più di 500.

Ancora, gli aminoacidi proteici sono distinti in:

• Aminoacidi essenziali: se ne contano 9 e sono quelli che vengono introdotti con la dieta perché il nostro organismo non è in grado di produrli autonomamente;
• Aminoacidi non essenziali: sono gli aminoacidi che vengono prodotti autonomamente dal nostro organismo. Se ne contano 11.

Tutti gli aminoacidi hanno un carbonio centrale α, al quale si legano un idrogeno, un gruppo aminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale (R). Come si può notare dall’immagine sopra riportata, al carbonio chirale centrale si legano quattro sostituenti diversi. Quando si verifica una situazione del genere si dice che la molecola è una molecola chirale. La catena laterale di un aminoacido permette di distinguere un aminoacido da un altro ed è questa catena che attribuisce proprietà acide o basiche, proprietà di positività o negatività, proprietà polari o apolari ecc.

Se la catena laterale “R” è un semplice idrogeno, l’aminoacido risultante è una glicina: solo in questo caso particolare, l’aminoacido non è una molecola chirale perché il carbonio è legato a due atomi di idrogeno, che sono quindi uguali tra loro.

Tra le varie caratteristiche che contraddistinguono i vari AA focalizziamoci sull’abbondanza relativa. L’abbondanza relativa si riferisce alla frequenza con cui si può trovare un determinato aminoacido all’interno della catena proteica. Tra gli AA più comuni, e quindi con abbondanza relativa più elevata, si ricorda l’alanina; la glicina ha un’abbondanza abbastanza alta anche se non troppo (quindi lo possiamo interpretare come “è frequente trovare la glicina in una struttura proteica anche se non proprio eccessivamente”). Tra gli AA meno comuni (e quindi con un’abbondanza più bassa) si annoverano la cisteina, il triptofano e l’istidina: questi sono dei residui chiave nelle strutture proteiche, poiché quando sono presenti in genere hanno delle funzioni ben precise (ecco perché non sono così abbondanti). Anche il fatto che, ad esempio, il triptofano risulta avere un elevato volume induce una bassa frequenza del triptofano nelle proteine.

Ad ogni aminoacido è associato anche un valore di pKa o pKb a seconda che si tratti di un acido o di una base: questo ci aiuta a capire se ad un certo pK queste catene laterali sono protonate o meno. Facciamo un esempio, nel caso del modeling proteico, non solo dobbiamo aggiungere gli H alla nostra struttura PDB, ma dobbiamo anche aggiungere il giusto stato di protonazione. Ci sono dei server opportuni che ci permettono di attribuire il giusto grado di ionizzazione delle catene laterali, a seconda del valore di pH che vogliamo simulare e del grado di salinità. Generalmente la proteina non è neutra, ma possiede delle cariche (positive o negative, a seconda del tipo di proteine) che vanno a definire la carica totale; ci sono poi dei controioni, ovvero dei sali che noi troviamo in ambiente fisiologico (ad esempio il sodio o il cloro) e che andiamo ad aggiungere per compensare la carica totale della proteina.

Legame peptidico

Gli aminoacidi si legano tra loro per formare proteine attraverso un legame peptidico. Questo è un legame di condensazione, cioè nel formarsi 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:

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 N-terminale) e un’estremità con un gruppo carbossilico libero (estremità C-terminale).

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. Ci sono alcuni valori di questi angoli che determina per forza la sovrapposizione di vari gruppi. Per esempio, se l’angolo “fi” è uguale a 0° e quello “psi” a 180°, si sovrappongono i due carbonili; se “fi”= 180° e “psi”=0°, sono gli NH₂ che si sovrappongono; quando entrambi gli angoli hanno un valore pari a 0° si sovrappone l’NH₂ con il COOH. La migliore conformazione la si ottiene con un angolo “fi”=