Biochimica generale

Le proteine

Le proteine sono dei polimeri formati da una serie di unità molto semplici che sono detti amminoacidi. Di quest'ultimi quelli che sono presenti nelle proteine sono quasi invariabilmente degli alfa-amminoacidi, il che vuol dire che la funzione amminica e quella carbossilica insistono sullo stesso carbonio, ossia il primo di una catena più o meno complessa. Una struttura di questo tipo può esistere in due configurazioni spaziali diverse che prendono il nome di forma D e forma L dell'amminoacido. Per motivi legati all'evoluzione della vita sulla Terra, nei composti proteici ci sono solo amminoacidi in conformazione L. In realtà negli alimenti e negli altri esseri viventi sono presenti anche amminoacidi in conformazione D. Essi sono interessanti perché si trovano ad esempio nelle pareti dei batteri; per questo motivo se troviamo in un alimento degli amminoacidi in forma D può darsi che esso sia contaminato. Inoltre sono presenti in alcuni antibiotici, perciò se gli amminoacidi in forma D sono presenti nelle carni che mangiamo possiamo sospettare contaminazione antibiotica.

Dal punto di vista chimico l'aspetto più interessante degli amminoacidi è che si tratta di molecole anfoteliche, ossia in grado di assumere cariche diverse in funzione del pH; la funzione amminica può assumere un protone e caricarsi positivamente mentre la funzione carbossilica può cedere un protone e caricarsi negativamente. Questo ci porta ad avere tre forme di amminoacidi:

• Una carica positiva per bassi valori di pH → la molecola è piena di protoni.
• Una carica negativa per alti valori di pH → questo perché si staccherà il protone dall'amminogruppo ma anche dal carbossile.
• Una carica nulla a un certo valore di pH → ci sarà un equilibrio tra cariche positive e negative e il nostro amminoacido sarà formalmente privo di carica.

Il particolare valore di pH in cui una specie anfoterica ha carica netta pari a zero è detto punto isoelettrico (pI). Sul concetto di punto isoelettrico si fondano una serie di trasformazioni alimentari. In un sistema che contiene una molecola anfoterica, al di sotto del punto anfoterico quella specie sarà carica positivamente, al di sopra sarà carica negativamente e al punto isoelettrico quella specie sarà priva di carica.

Implicazioni pratiche del punto isoelettrico

Quali sono le implicazioni pratiche di ciò? La prima domanda che ci poniamo è qual è la forma in cui la molecola riesce a legare più acqua. Le specie cariche sono quelle in grado di trattenere più acqua e se le portiamo al punto isoelettrico impediamo loro di interagire con l'acqua. Questo spiega perché quando lasciamo la carne nel piatto e il pH si abbassa essa tenderà a rilasciare acqua, oppure spiega perché quando coaguliamo il formaggio abbassando il pH al punto isoelettrico l'acqua si separa dalle proteine → abbiamo abbassato la capacità delle molecole anfoteriche di trattenere acqua giocando sulle loro cariche.

Nelle proteine non c'è un solo amminoacido ed è importante conoscere le catene laterali diverse che li contraddistinguono dal nucleo comune perché proprio da esse dipendono le proprietà delle proteine.

Analisi degli amminoacidi utilizzati per formare proteine

• Amminoacidi acidi (= amminoacidi che possiedono cariche negative nelle loro catene laterali) Acido aspartico (Asp) e acido glutammico (Glu) sono tra gli amminoacidi più abbondanti in campo alimentare perché sono i più facili da sintetizzare per qualunque organismo. In alcune proteine essi vengono trasformati in un altro amminoacido strutturalmente simile ma che non possiede cariche. Questo passaggio comporta la conversione della funzione carbossilica in una funzione amminica. La differenza fondamentale è che acido aspartico (Asp) e acido glutammico (Glu) possono avere una carica negativa, invece asparagina (Asn) e glutammina (Gln) non possono avere cariche. Poiché sappiamo che le molecole cariche attirano attorno a sé una nuvola di molecole d'acqua, la conseguenza di ciò è che le forme ionizzate di acido aspartico e acido glutammico sono capaci di trattenere molta più acqua.
• Amminoacidi basici (=amminoacidi che possiedono cariche positive nelle loro catene laterali) La lisina (Lys) è in grado di protonarsi se il pH è sufficientemente basso. Un altro amminoacido di questo tipo è l'arginina (Arg) e la troviamo sostanzialmente sempre carica positivamente. Essa è importantissima nell'alimentazione umana poiché noi siamo in grado di sintetizzarla, tuttavia in età infantile non ne produciamo abbastanza e siamo costretti ad assumerla. Nell'arginina c'è un carbonio circondato da tre atomi di azoto e questa struttura è detta gruppo guanidilico. L'ultimo degli amminoacidi basici è l'istidina (His) ma è molto difficile riuscire a protonarla.
• Amminoacidi neutri (=amminoacidi privi di cariche sulla catena laterale) Essi si dividono in due categorie, polari e non polari, in base alla loro capacità di legarsi o meno con l'acqua. Quelli polari si legano con l'acqua e tra essi ci sono: serina (Ser), treonina (Thr) e tirosina (Tyr). Serina e treonina sono rispettivamente un alcol primario e un alcol secondario mentre la tirosina è un fenolo. Quest'ultima è molto importante perché l'ossidrile si può dissociare. Tra gli amminoacidi che presentano una forma ciclica nella loro catena laterale ci sono anche fenilalanina (Phe), estremamente idrofobica, e triptofano (Trp), poco polare. Essi dobbiamo assumerli perché non sono sintetizzabili dal nostro organismo. Tra gli amminoacidi idrofobici ci sono leucina (Leu) e il suo isomero isoleucina (Ile). Un altro amminoacido idrofobico è la metionina (Met) ed è interessante perché condiziona il metabolismo di tutti gli altri.

Proteine e le loro strutture

Le proteine sono polimeri informazionali, quindi scritti nel genoma dell'organismo che le esprime, e sono formate da una fila preordinata di amminoacidi. Si distinguono 4 livelli di struttura delle proteine: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Ciascuna di esse è caratterizzata da un particolare tipo di legame.

La struttura primaria

La struttura primaria è formata dalla connessione dei singoli amminoacidi dai quali sporgono le catene laterali. I protagonisti di questa struttura sono i gruppi ammino e carbossile attaccati al carbonio in alfa. Questi si uniscono tramite legame peptidico e formano una struttura a maglie snodate. Questo polimero informazionale ha un verso di lettura: infatti si legge partendo dall'estremità dove sporge il gruppo amminico libero fino all'estremità dove sporge il gruppo carbossilico libero. Ciò è fondamentale perché se leggiamo al contrario il polimero il significato dello stesso è completamente diverso.

Il legame peptidico
Il legame che struttura la catena si chiama legame peptidico, un banale legame ammide tra carbossile del primo amminoacido e l'amminogruppo del secondo. L'immagine a destra mostra la formazione del legame peptidico tra il carbossile della glicina e il gruppo ammidico dell'alanina. Essi si legano a formare la glicilalanina. → questa struttura può diventare lunghissima. Tuttavia il legame peptidico presenta una peculiarità poiché sia l'ossigeno che l'azoto che lo formano sono due atomi elettronegativi, quindi il legame che si forma tra essi ha parziali caratteristiche di doppio legame. Ciò significa che tutti gli atomi collegati tra di loro giacciono in un piano e si forma una sorta di struttura planare rigida che è l'elemento fondamentale della catena. L'unica possibilità di rotazione si trova a livello dei carboni alfa.

NB: Questa struttura così flessibile presenta un limite; quando incorporiamo alla sequenza di piastrine l’unico amminoacido il cui carbonio alfa non è mobile, ossia la prolina, che è un imminoacido, non si presenta più di rotazione a livello del C-Alfa → non è più una struttura snodata.

Riflessioni

• Come sappiamo il punto isoelettrico di una struttura così complessa? La questione è semplificata dal fatto che non ci sono gruppi carichi se non il carbossile all’estremità C-terminale, dov'è questa sequenza finisce, e l'amminogruppo all’estremità N-terminale. Quindi per il peptide che non ha gruppi carichi nella sua sequenza, il punto isoelettrico è determinato dalla media aritmetica.
• Se sono presenti dei sostituenti nella sequenza, quindi amminoacidi carichi, la prevalenza di amminoacidi carichi positivamente o negativamente dipende dal valore del pH; posso ragionare su queste strutture complesse stimandone il punto isoelettrico e quindi lo stato di carica. Se abbondano amminoacidi ACIDI, saranno carichi negativamente, viceversa se abbonda la presenza di amminoacidi BASICI. Tuttavia se cambio il pH cambio anche la carica → ciò vale per tutte le proteine indipendentemente dalla struttura che li caratterizza.

Questa fila di amminoacidi presenta delle caratteristiche precise che si sono evolute nel tempo:

• Essa genera strutture di ordine superiore → si avvolge per dare strutture più complesse. Perché si avvolga in un preciso modo la sequenza deve essere scritta in modo preciso.
• Non tutte le proteine sono scritte nello stesso modo → Proteine che sembrano fare la stessa funzione hanno dei tratti di sequenza che sono importanti.

Il primo esempio è rappresentato dagli allergeni alimentari. Essi nel 90% dei casi sono formati da una sequenza di amminoacidi che c'è nelle proteine allergene ma non è presente nelle proteine del nostro organismo. La stessa cosa vale per le proteine tossiche che sembrano uguali ma non lo sono. Ad esempio le proteine del grano e le loro sequenze amminoacidiche possono in alcuni individui predisposti causare patologie come la celiachia.

L'ultimo esempio che dimostra quanto sia importante la sequenza amminoacidica riguarda la trasformabilità del materiale alimentale. L'esempio più celebre è quello del latte di capra; infatti ci sono alcuni tipi di latte con cui si può produrre il formaggio mentre con altri non si può fare perché se pastorizzati coagulano dentro nell'impianto di trattamento. Queste differenze dipendono in origine dalle differenze nella sequenza delle proteine di questo latte.

NB: Le proteine che stanno scritte nel nostro genoma qualche volta possono differire da quelle che poi circolano effettivamente nel nostro organismo. Questo avviene perché la struttura primaria va incontro a modificazioni post-traduzionali. Tra tali modificazioni le più comuni sono l'eliminazione di alcuni tratti o la ricombinazione degli stessi.

Uno degli esempi più noti di questo processo è l'insulina, un piccolo ormone proteico secreto dalle cellule del pancreas. Nella proteina matura essa sembra essere fatta da due proteine ma non è così. Questa proteina viene fabbricata nella cellula sotto forma di lungo filo in cui sono presenti diverse regioni: L'estremità C-terminale (arancione) è la coda della pre-pro insulina mentre l'estremità N-terminale (viola) serve a portare la proteina all'interno della cellula, in particolare nel reticolo endoplasmatico, dove viene processata. Dopo che la porzione N-terminale ha svolto il suo compito viene rimossa e ciò che si ottiene è una struttura chiamata pro-insulina. Questa si avvolge avvicinando alcuni gruppi funzionali (in questo caso le funzioni tioliche delle cisteine), dopodiché un agente ossidante le ossida portando alla formazione del legame disolfuro tra cisteine adiacenti. Le parte in azzurro della seconda figura, serve a far sì che questi legami tra cisteine si formino nel modo corretto → tuttavia anch'essa viene eliminata quando esaurisce la sua funzione perciò da una proteina ne ricaviamo due stabilmente unite da legame disolfuro → questo processo si chiama maturazione di una sequenza.

La struttura secondaria

Il legame della struttura primaria è il legame peptidico mentre il legame che caratterizza tutte le strutture secondarie è il legame a idrogeno. Esso si forma all'interno degli atomi che partecipano al legame peptidico disponendosi in un certo modo nello spazio. Due sono i tipi di strutture più comuni e stabili:

• Struttura ad alfa-elica → ci sono delle piastrine che sono disposte con una forma a spirale destrorsa (se la giro verso destra in senso orario si avvita). Il legame a idrogeno in strutture di questo tipo si formano dal CO di un legame peptidico con l'NH di un'altra piastrina situato quattro residui più in là. → struttura estremamente regolare. Le caratteristiche principali di una struttura di questo tipo sono:
  • Tutti i legami a idrogeno sono allineati lungo la generatrice di questo cilindro
  • Tutte le catene laterali degli amminoacidi sporgono verso l'esterno di questo cilindro
• Struttura a beta-foglietto → le principali differenze con la struttura ad alfa-elica sono:
  • I legami tra CO e NH non sono sulla generatrice del cilindro ma sono nel piano.
  • Non c'è più la necessità di rispettare la cadenza ordinata dei legami dell'alfa-elica, infatti gli amminoacidi che formano la struttura possono essere lontanissimi.
  • Questo tipo di struttura non comporta l'avvicinamento di due catene polipeptidiche ma può essere fatta da una serie di catene polipeptidiche affiancate. La stabilità è data dal numero di legami a idrogeno che si formano.

Come si realizza una struttura con dei fili affiancati partendo da un filo solo?

Esistono due strutture:

• Struttura beta-foglietto a filamenti antiparalleli → i fili decorrono in verso opposto.
• Struttura beta-foglietto a filamenti paralleli → i fili decorrono nello stesso verso.

Per realizzare la prima ci basta fare una curva e per questo la chiamiamo beta-turn; per realizzare la seconda dobbiamo fare giri più lunghi che chiamiamo beta-loop → il risultato è sempre con la stessa stabilità. Più sequenze partecipano a formare questi accoppiamenti più la struttura è stabile.

Una struttura secondaria per poter essere stabile deve rispettare alcune condizioni:

• Nella sequenza non deve esserci la prolina altrimenti non si possono girare le piastrine. NB: Le proteine del latte sono piene di proline per un motivo specifico → le proline impediscono la formazione di strutture complesse perché impediscono la rotazione → sono più digeribili e attaccabili dall'organismo.
• Questi residui devono essere sufficientemente grossi da impedire l'accesso dell'acqua perché altrimenti si crea competizione nella formazione dei legami.
• Nella sequenza non devono essere presenti residui con le stesse cariche. In questo caso significherebbe che tutte le catene porterebbero un carbossile, e a pH=7 i carbossili sono carichi negativamente. Il risultato è che se entrambi sono negativi, si respingono a vicenda → instabilità legata alla repulsione di carica. Se ci fosse stato pH=2, non sarebbero stati carichi quindi non ci sarebbe stata repulsione.
• Nella sequenza non devono essere presenti amminoacidi ramificati (valina e isoleucina) → il loro ingombro sterico impedisce la stabilità.

Esempio del rapporto tra struttura e funzione

La presenza di un certo tipo di struttura è in grado di impartire alle proteine alcune proprietà fisiche fondamentali. Il caso più clamoroso di proteina con proprietà fisiche fondamentali è la fibroina. Essa si trova in alcuni secreti di invertebrati come la bava del baco da seta e la bava dei ragni. Questa proteina quando si asciuga l'acqua in cui è disciolta comincia a formare delle strutture compattissime. La resistenza a carico di rottura è di circa 800 kg per mm quadrato mentre l'acciaio ad esempio ha un carico di rottura di 600 kg per mm quadrato. Queste proteine hanno tutte struttura a foglietto ripiegata ma ciò che ne determina la resistenza è la regolarità della struttura. Nella sequenza si susseguono glicina, alanina e ogni tanto una prolina che permette il ripiegamento del sistema. Succede che quando queste proteine si sbarazzano dell'acqua si dispongono nel modo più stabile possibile e i residui di alanina si intercalano con i residui di glicina che sporgono da un'altra struttura esattamente come i dentini di una cerniera. Si ottiene una struttura compatta in cui l'acqua non entra e che è impossibile quasi deformare per trazione → grande resistenza allo scorrimento.

La struttura terziaria

La struttura terziaria delle proteine comprende tutti i tipi di legami chimici che hanno il compito di stabilizzare la struttura secondaria. Non esiste un solo tipo di legame, ma diverse interazioni, alcune forti e altre più deboli. Queste interazioni di norma non coinvolgono gli atomi che partecipano al legame peptidico ma coinvolgono le catene laterali dei singoli amminoacidi.