Biochimica per medicina

PROTEINE

La disposizione nello spazio di tutti gli atomi di una proteina viene definita come struttura terziaria, che tiene conto delle relazioni a lungo raggio nella sequenza amminoacidica: segmenti della catena polipeptidica che interagiscono vengono mantenuti nelle loro caratteristiche posizioni tipiche della struttura terziaria tramite diversi tipi di interazioni deboli e talora anche tramite legami covalenti, come i ponti disolfuro. Esistono due gruppi principali in cui possono essere classificate molte proteine: - le proteine fibrose, che hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o infoglietti, sono costituite in gran parte da un unico tipo di struttura secondaria e la struttura terziaria è relativamente semplice; determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule dei vertebrati. - le proteine globulari, che hanno catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche, contengono più tipi di struttura secondaria e costituiscono.

Gli enzimi e le proteine regolatrici. Le proteine fibrose come l'α-cheratina, il collageno e la fibroina della seta sono esempi della relazione esistente tra la struttura di una proteina e la sua funzione biologica: hanno proprietà che conferiscono resistenza e/o elasticità alla struttura di cui fanno parte e sono insolubili in acqua, una caratteristica che dipende dalla presenza di elevate concentrazioni di amminoacidi idrofobici sia all'interno sia sulla superficie della proteina.

α-Cheratina: Le α-cheratine si trovano solo nei mammiferi dove rappresentano quasi la totalità del peso secco dei capelli, della lana, delle penne, delle unghie e fanno parte di una grande famiglia di proteine chiamate proteine dei filamenti intermedi (IF). L'α-elica dell'α-cheratina è destrorsa e due catene di α-cheratina con la stessa direzionalità si avvolgono una sull'altra per formare un

superavvolgimento(struttura quaternaria), con andamento sinistrorso, opposto a quello delle α-eliche, che aumenta la resistenza dell'intero complesso. Le superfici dove le due eliche si toccano sono rivestite da amminoacidi idrofobici ed i loro gruppi R si inseriscono l'uno vicino all'altro con un'alternanza regolare, che permette un avvicinamento massimo legami covalenti delle catene. La resistenza delle proteine fibrose è aumentata da crociati tra le catene polipeptidiche (nelle α-cheratine i legami crociati che stabilizzano la struttura quaternaria sono ponti disolfuro). Collageno Il collageno è presente nel tessuto connettivo come il tendine, la cartilagine, la matrice organica delle ossa e la cornea dell'occhio. L'elica del collageno è una struttura secondaria unica, del tutto distinta dall'α-elica, sinistrorsa con tre coiled coil residui amminoacidici per giro: è un , ma con una caratteristica.

struttura terziaria e quaternaria, con tre catene polipeptidiche separate, dette catene α (da non confondere con le α-eliche), superavvolte le une sulle altre. L'avvolgimento superelicoidale è destrorso nel collageno, mentre le singole catene α sono sinistrorse. Nei vertebrati esistono molti tipi di collageno nei quali la Gly rappresenta il 35% dei residui totali, l'Ala l'11% e la Pro insieme alla 4-Hyp (4-idrossiprolina, un amminoacido non comune) circa il 21%. La sequenza amminoacidica del collageno è costituita da un'unità tripeptidica ripetuta, Gly-X-Y, dove X è spesso Pro e Y è spesso 4-Hyp (che consentono lo stretto avvolgimento della catena polipeptidica). Le catene α all'interno di una molecola di collageno e le molecole di collageno all'interno di una fibra sono unite tra loro da legami covalenti crociati che coinvolgono residui di Lys, di HyLys (5-idrossilisina) o di His presenti in alcune

posizioni X e Y del collageno. La rigidità e al tempo stesso la fragilità tipiche del tessuto connettivo delle persone anziane derivano dall'accumulo di legami crociati nelle fibre di collageno.

Fibroina della seta La fibroina, la proteina della seta, viene prodotta dagli insetti e dai ragni e le sue catene polipeptidiche si trovano quasi esclusivamente nella conformazione β: è ricca di residui di Ala e di Gly, che permettono di avvicinare molto le catene tra loro e di formare un foglietto β compatto, dato che le catene laterali R si integrano perfettamente. La struttura complessiva è stabilizzata da molti legami idrogeno tra i gruppi peptidici nelle catene polipeptidiche impegnate nel foglietto β e interazioni di van der Waals dall'ottimizzazione delle tra foglietti differenti. La seta non si può allungare, in quanto la conformazione β della fibroina è già completamente estesa, anche se la struttura risulta flessibile.

Poiché i foglietti sono tenuti assieme da interazioni deboli invece che da legami covalenti, come i ponti di solfuro nelle α-cheratine.

Proteine globulari

Il numero delle strutture tridimensionali delle proteine è ormai nell'ordine di alcune decine di migliaia e raddoppia ogni due anni circa. Una delle risorse più importanti disponibili è la Protein Data Bank, un archivio di strutture tridimensionali determinate sperimentalmente di macromolecole biologiche che raccoglie praticamente tutte le strutture macromolecolari (proteine, RNA, DNA, ecc.) che sono state determinate fino a oggi, assegnando a ciascuna struttura una sigla identificatrice di 4 lettere (chiamata PDB ID).

Mioglobina

È una proteina muscolare la cui funzione è quella di immagazzinare ossigeno e di facilitarne la diffusione nei muscoli in rapida contrazione. È costituita da una protorfirina, 153 amminoacidi e da un singolo gruppo eme, lo stesso gruppo eme presente nell'emoglobina.

La proteina che lega l'O negli eritrociti.

La mioglobina è molto abbondante nei muscoli dei mammiferi marini che rimangono immersi a lungo, come il capodoglio o la foca, permettendogli di rimanere immersi per lunghi periodi. Lo scheletro della molecola è costituito da 8 segmenti relativamente compatti di α-eliche destrorse interrotti da ripiegamenti, tra cui ripiegamenti β. Mentre i gruppi R polari sono localizzati sulla superficie esterna della molecola e sono idratati, i gruppi R idrofobici si trovano all'interno della proteina, in cui c'è spazio per sole 4 denso nucleo idrofobico molecole d'acqua: questo è caratteristico delle proteine globulari.

Il gruppo eme è un complesso chimico che costituisce il gruppo prostetico, ovvero la parte non proteica, di una serie di proteine tra cui mioglobina, emoglobina, citocromi e altre strutture peptidiche chiamate proteine eme: è costituito da una complessa struttura.

organica ad anello, la protoporfirina, a cui è+legato uno ione ferroso Fe . La protoporfirina è costituita da 4 anelli pirrolici uniti da ponti metinici (-CH=). L'atomo di ferro dell'eme ha 6 legami dicoordinazione: quattro sono impegnati sul piano dell'anello porfirinico con 4 atomi di azoto che3+impediscono la conversione del ferro in Fe , stato di ossidazione che non permetterebbe il legame con l'O , mentre gli altri due sono perpendicolari al piano2 prossimale, della porfirina, e si instaurano con un residuo di His, definita e con una molecola di O .2 Per comprendere la struttura tridimensionale di una proteina occorre analizzare il modo in cui le sue parti si avvolgono nello spazio: -un o può essere costituito semplicemente da due elementi di MOTIVO RIPIEGAMENTO struttura secondaria, ripiegati l'uno sull'altro, che rappresentano solo una piccola parte di una proteina (ansa β-α-β) ma può anche essere unastruttura elaborata, formata da diversi segmenti uniti insieme che assumono una disposizione caratteristica (barile β). Il motivo può non essere stabile se isolato dal contesto dell'acoiledproteina. Abbiamo già incontrato alcuni motivi, come l'avvolgimento avvolto (coil) dell'α-cheratina, che si trova anche in altre proteine. Il motivo non è un elemento strutturale gerarchico, da porre tra la struttura secondaria e la terziaria, ma è semplicemente un caratteristico tipo di avvolgimento che descrive parte del peptide, o l'intero peptide. Il dominio è una parte di una catena polipeptidica di per sé stabile, che potrebbe comportarsi come un'entità indipendente rispetto al resto della proteina. Polipeptidici costituiti da qualche centinaio di residui amminoacidici spesso si avvolgono nello spazio formando due o più domini, che talvolta svolgono funzioni diverse. In molti casi un dominio di una proteina di grandi dimensioni può essere considerato come un modulo funzionale autonomo.

dimensioni mantiene la sua struttura tridimensionale anche se viene separato (per esempio, per scissione idrolitica) dal resto della catena polipeptidica. Generalmente le proteine di piccole dimensioni hanno un solo dominio (cioè il dominio è la stessa proteina).

L'avvolgimento (o ripiegamento) dei polipeptidi è soggetto a tutta una serie di restrizioni di ordine fisico e chimico. Dall'attenta osservazione degli avvolgimenti proteici sono state ricavate alcune regole generali:

1. Le interazioni idrofobiche contribuiscono in larga misura alla stabilità delle strutture proteiche. Per nascondere i gruppi R di amminoacidi idrofobici all'acqua sono necessari almeno due elementi di struttura secondaria.
2. Quando in una proteina sono presenti α-eliche e foglietti β, queste strutture si trovano sempre in differenti comparti, in quanto lo scheletro di un segmento polipeptidico a configurazione β non forma facilmente legami idrogeno con

un’α-elica a esso allineata.

3. Segmenti adiacenti nella struttura primaria generalmente sono in contatto tra diloro nella struttura avvolta della proteina.

4. La conformazione β è più stabile quando i singoli segmenti cha la compongonosono leggermente piegati in senso destrorso: due catene β, per esempio, devonoessere collegate da un segmento di connessione trasversale. In linea di principio, laconnessione potrebbe avere una conformazione destrorsa o sinistrorsa, ma nelleproteine è quasi sempre destrorsa poiché sono normalmente più corte dellesinistrorse e tendono a ripiegarsi, formando angoli minori, dunque si formano piùfacilmente.

Nel livello di classificazione più alto, la banca dati SCOP utilizza uno schema ormai diuso comune in cui le strutture delle proteine sono divise in quattro classi: