Biochimica

Biochimica delle proteine

Distribuzione delle proteine nel corpo

Proteine corporee

• 40% nel muscolo di cui il 65% miosina e actina
• 10% tessuti viscerali (fegato intestino)
• 30% nella pelle e nel sangue

Nel muscolo abbiamo la maggior quantità di proteine che fanno parte del corpo umano. L’actina e la miosina sono le proteine che consentono la contrazione. Il fenomeno nel quale le proteine del muscolo vengono demolite prende il nome di proteolisi.

Anche i tessuti viscerali sono sede di proteine. Il fegato ha un metabolismo molto attivo ed è la sede della sintesi di quasi tutte le proteine che si trovano nel sangue (albumina, enzimi, proteine associate ai lipidi). Questo significa che se il fegato funziona correttamente anche la quantità di proteine presenti nel sangue è corretta. Nell’intestino le proteine sono metabolizzate in quanto è la sede della digestione.

Le proteine presenti nel sangue le chiamiamo circolanti o plasmatiche (se si trovano nella parte liquida). Da un punto di vista quantitativo troviamo: l’emoglobina (presente nei globuli rossi), la miosina, l’actina e il collagene. Le ultime tre hanno ruolo strutturale, cioè significa che la loro presenza nei tessuti dove sono localizzate fungono da sostegno; il collagene è localizzato nel tessuto connettivo. Questi tessuti in cui sono presenti queste tre proteine sono in grado di sintetizzarle e di disporle nella matrice extracellulare, esse contribuiscono alla stabilità della matrice.

L’emoglobina non è una proteina strutturale ma di trasporto in quanto ha la capacità di trasportare nel sangue le molecole di ossigeno.

Funzione delle proteine

Una suddivisione delle proteine è quella che le distingue in base alla loro funzione che può essere:

• Proteine strutturali: es. il collagene e l’elastina. Quest’ultima è una proteina che si trova nei tessuti connettivi. È una delle proteine che garantisce una certa elasticità; la troviamo ad esempio nei tendini. Questi a livello molecolare presentano molte molecole di elastina che conferiscono una forte elasticità e resistenza meccanica.
• Proteine di trasporto: alcune proteine hanno nella loro struttura dei domini in cui possono legare alcune molecole che non sono proteine. Le proteine che presentano questa capacità sono le proteine trans-membrana. I mitocondri hanno due membrane, una interna e una esterna, quella interna è molto più selettiva. Se non ci fossero delle proteine che permetterebbero l’entrata e l’uscita di metaboliti, i mitocondri non riuscirebbero a funzionare. Le apoproteine sono delle proteine che interagiscono con i lipidi, li trasportano ad esempio dall’intestino al fegato e dal fegato a tutti i distretti, troviamo anche un trasporto di lipidi anche a livello cerebrale; infatti, nel liquido cefalorachidiano ci sono le apoproteine.
• Proteine catalitiche: svolgono un ruolo nella catalisi e quindi parliamo di enzimi. Uno degli enzimi più importanti è l’enzima chiamato anidrasi carbonica, esso permette di far reagire l’acqua all’anidride carbonica formando l’acido carbonico. Un altro esempio di enzimi sono gli ormoni che sono regolatori del metabolismo, essi possono essere anche di altri tipi non solo proteici. La comunicazione con agonisti e altre cellule è garantita dalle proteine di trasporto che formano i recettori.

Taglia molecolare delle proteine

Le proteine sono composte da amminoacidi, ovvero biomolecole che presentano il gruppo amminico e quello carbossilico. In base a quanti amminoacidi troviamo in una proteina questa risulta più complessa o più semplice. Se la quantità di amminoacidi è di 50-150 amminoacidi si parla di small proteins; se è composta da >1000 aminoacidi si parla di very large proteins.

Esempi di proteine: sulle cellule dei tessuti che chiamiamo insulino-dipendenti sono presenti i recettori per la stessa. L’insulina che si lega alla parte esterna manda il segnale alla parte interna. Un altro esempio di proteine di trasporto sono quelle che trasportano e legano metalli che sono presenti sotto forma di ioni, quindi, hanno una carica. Questi da soli non sono capaci di muoversi da un tessuto all’altro e perciò ci sono delle proteine capaci di trasportarli.

La ceruloplasmina (sintetizzata nel fegato) interagisce con il rame e lo zinco che a loro volta sono modulatori di enzimi. Esiste una patologia genetica, il morbo di Wilson, dove si ha un difetto di trasporto del rame che si accumula nel fegato; questo dipende dall’alterazione di una proteina che trasporta il rame.

Il ferro è un elemento associato a molte proteine come ad esempio la mioglobina e l’emoglobina e i citocromi (famiglia di proteine contenenti ferro). Il trasporto del ferro è garantito da delle proteine e le più importanti sono transferrina e ferritina (24 subunità). L’albumina è la principale proteina di trasporto presente nel sangue e essa ha il compito di trasportare gli acidi grassi. La protrombina e la trombina sono due proteine capaci di coagulare il sangue. Nel sangue troviamo anche alcuni ormoni come ad esempio il glucagone e l’insulina che regolano il livello di glicemia nel sangue. Alcune cellule sono adibite alla sintesi di proteine delle citochine che regolano le attività infiammatorie.

Struttura dell'amminoacido

• Gruppo carbossilico COOH
• Gruppo amminico NH₂
• Atomo di carbonio centrale (carbonio alfa) legato ad un atomo di H e a un gruppo funzionale R (catena laterale) che identifica l’amminoacido.

La classificazione degli aminoacidi può essere fatta secondo:

1. Aspetti strutturali: cioè in base al gruppo R, se ci sono dei gruppi polari l’aminoacido si chiama polare, se c’è una molecola idrofobica, l’aminoacido è idrofobico.
2. Aspetti nutrizionali: 9 dei 20 aminoacidi sono indispensabili e non possono essere sostituiti da altre molecole. Il corpo umano non può sintetizzarli perciò dobbiamo assumerli con la dieta. Gli amminoacidi indispensabili sono detti essenziali e sono:
   • Fenilalanina
   • Isoleucina
   • Istidina
   • Leucina
   • Lisina
   • Metionina
   • Treonina
   • Triptofano
   • Valina

Classificazioni amminoacidi

• Apolare: es: alanina con gruppo metilico CH₃
• Polari: es: glutammico con gruppi carbossilici COOH
• Aromatici: es: fenilalanina con anello ciclico

Legame peptidico

Il legame che si viene a creare da due aminoacidi si chiama legame peptidico. In ogni proteina si ha un estremità carbossi-terminale e, dall’altra parte, un’estremità ammino-terminale. La sequenza più o meno lineare di amminoacidi rappresenta la struttura primaria. La struttura secondaria è stabilizzata dai legami idrogeno. La forma ad alfa elica è la forma più conosciuta di struttura secondaria (proteine globulari). Un'altra forma è il foglietto beta, anch’essa presenta legami idrogeno (proteine fibrose). La struttura terziaria è il modo in cui tutti i filamenti si dispongono nello spazio (es. proteine globulari). Può essere caratterizzata da pezzi alfa elica e da altri a foglietto beta. La struttura quaternaria è formata da più proteine legate insieme.

Domande frequenti

1. Quali sono le strutture secondarie più comuni nelle proteine?
   Le strutture secondarie delle proteine sono di due tipi: alfa-elica quando la catena amminoacidica assume la forma di un’elica; foglietto beta quando la catena amminoacidica assume la forma di una "fisarmonica" ripiegando la catena su se stessa. Entrambe presentano legami a idrogeno.
2. Che differenza esiste tra struttura primaria e secondaria?
   La struttura primaria è caratterizzata dalla disposizione nello spazio (ordine degli amminoacidi) mentre la struttura secondaria è caratterizzata da come sono disposti gli amminoacidi nello spazio e può essere o alfa elica o foglietto beta.
3. Quali proteine hanno una struttura quaternaria?
   La struttura quaternaria è caratterizzata da più catene polipeptidiche; un esempio è l’emoglobina.
4. Quali legami covalenti troviamo nelle proteine e quali sono i gruppi funzionali coinvolti?
   I legami covalenti che troviamo nelle proteine sono diversi; il primo è sicuramente il legame peptidico, cioè quel legame che si instaura tra due aminoacidi per formare una proteina. Poi possiamo trovare altri legami covalenti, quando la proteina si riorganizza come, ad esempio, il legame solfidrilico nell’insulina.

Proteine di membrana

Circa il 25% di tutte le proteine giocano un ruolo importante nella comunicazione cellulare, nel metabolismo energetico, nel trasporto di molecole e nel riconoscimento delle cellule con gli agonisti (es: recettori per ormoni, recettori per lipoproteine).

Le proteine di membrana possono, insieme ai fosfolipidi, svolgere un’azione strutturale ma hanno anche diversi ruoli. Le cellule hanno la capacità di comunicare tra di loro tramite la risposta agli stimoli esterni. Questo avviene grazie ai recettori sensoriali che sono proteine poste sulla membrana della cellula. Ogni ormone arriva dall’esterno, si lega al recettore, per poi dare una risposta e entrare nella cellula.

Nei mitocondri, ad esempio, troviamo due membrane delle quali quella esterna è ricca di creste, quindi di proteine, esse garantiscono il metabolismo energetico. I trasportatori a livello di membrana sono delle proteine infatti ci sono dei metaboliti che non riescono né ad entrare nella cellula né ad uscire senza il trasporto della proteina.

Come si dispongono le proteine nelle membrane?

Le proteine di membrana possono essere intrinseche o estrinseche. Le prime sono quelle che attraversano il doppio strato, quelle estrinseche sono legate alla membrana o alle proteine già presenti e non sono perfettamente integrate nella matrice lipidica. Le proteine estrinseche sono dette anche di superficie.

• Tipo 1: proteine intrinseche
• Tipo 2-3: proteine estrinseche

Sia domini ad alfa elica, sia domini a foglietto beta sono presenti nelle proteine di membrana.

Equilibrio dinamico tra aminoacidi e proteine

Proteine alimentari e proteine corporee

Assumiamo le proteine alimentari dalla dieta, e grazie alla digestione le proteine si scindono in aminoacidi. Questi potranno sintetizzare nuove proteine. Il pool degli aminoacidi non è costituito solo da aminoacidi provenienti dalla dieta ma anche da quelli derivanti dalla demolizione delle proteine corporee. Il pool di aminoacidi è ogni giorno soggetto ad escrezione in quanto con l’urina si espellono tantissimi aminoacidi perciò questi devono sempre essere rintegrati.

Per turnover proteico si intende il processo per il quale gli aminoacidi vengono immessi ed espulsi dal nostro organismo. Turnover significa "ricambio", ogni proteina ha un suo tempo di vita detto emivita e quindi ci deve essere sempre un equilibrio nella quantità delle proteine presenti. Questo processo consente all’organismo di modulare la sintesi delle proteine in dipendenza dell’evolversi delle sue esigenze. In un soggetto adulto le proteine corporee ammontano a circa 12 kg; di questi giornalmente circa 250 g sono soggetti a turnover.

Il turnover deve essere regolato e la regolazione può avvenire a livello delle varie tappe della fase di sintesi sia di quella di degradazione. Il processo avviene in maniera intracellulare cioè sintesi e demolizione delle proteine avvengono all’interno della cellula, ma non necessariamente nella stessa cellula. I fattori che regolano il turnover possono essere di varia natura, ad esempio nutrizionale, ormonale.

Digestione delle proteine

• Endopeptidasi: sono enzimi proteolitici, appartenenti alla classe delle idrolasi, che catalizzano l’idrolisi dei legami peptidici interni alla catena delle proteine o dei peptidici. Essi sono:
  • Pepsina
  • Tripsina
  • Chimotripsina
  • Elastasi
• Esopeptidasi: sono enzimi proteolitici che catalizzano l’idrolisi dei legami peptidici in corrispondenza delle estremità della catena proteica. Essi sono:
  • Carbossipeptidasi
  • Aminopeptidasi
  • Dipeptidasi

Sono enzimi secreti lungo il tratto intestinale, lo stomaco è la prima sede in cui le proteine vengono attaccate dagli enzimi, precisamente dalla pepsina. Tutti gli enzimi digestivi sono prodotti in forma inattiva (zimogeni) per poi essere attivati successivamente al bisogno (aggiungere la desinenza -ogeno al nome dell’enzima pepsina-pepsinogeno, tripsina-tripsinogeno).

La pepsina è l’unica proteina che riesce a resistere all’ambiente acido dello stomaco (pH: 1-2). Gli altri enzimi sopracitati sono secreti dal pancreas esocrino e sono immessi nel duodeno; altri sono secreti dalla mucosa intestinale.

Gli enzimi sono proteine capaci di innalzare la velocità di reazioni chimiche termodinamicamente possibili, senza alterarne la costante di equilibrio. Molte reazioni chimiche richiedono condizioni non compatibili con i sistemi viventi come ad esempio alti valori di temperatura o pH, grazie agli enzimi queste reazioni sono possibili.

Schema di attivazione degli enzimi digestivi

Specificità degli enzimi digestivi

• La tripsina agisce in presenza di lisina o arginina
• La chimotripsina agisce in presenza di fenilalanina
• L’elastasi agisce in presenza della glicina

La specificità degli enzimi consiste nella non casualità dell’attività degli enzimi.

Domande frequenti sulla digestione delle proteine

1. Quale legame covalente viene scisso durante la digestione delle proteine?
   Tutti gli enzimi coinvolti nella digestione delle proteine sono in grado di scindere il legame peptidico in presenza di acqua. Essi appartengono alla famiglia delle idrolasi.
2. Quale caratteristica possiedono gli enzimi della digestione delle proteine?
3. Spiega la specificità degli enzimi.
   Gli aminoacidi non sono l’unico prodotto della digestione delle proteine, bensì possono passare anche dipeptidi e/o tripeptidi. Gli amminoacidi per essere assorbiti hanno bisogno di alcuni carri.