Enzimologia e proteine, Biochimica

STRUTTURA DELLE PROTEINE

Abbiamo visto come si organizzano tra loro i polipeptidi, quali sono le forze fondamentali che

governano il ripiegamento dei polipeptidi, però per parlare di struttura di proteine bisogna

aggiungere qualcosa. Le proteine possono essere classificate dal punto di vista strutturale

secondo una classificazione gerarchica.

Ogni proteina ha una struttura primaria, la sequenza di amminoacidi che compongono la proteina.

Ogni proteina (o quasi) ha una struttura secondaria, un ripiegamento della struttura primaria in una

geometria di ordine superiore, le geometrie prevalenti sono la alfa elica e il foglietto beta; gli

elementi di struttura secondaria, possono essere presenti in più numeri nella stessa proteina, nella

norma (possono esserci proteine che presentano anche un solo elemento di struttura

secondaria),e formano una struttura terziaria, il ripiegamento nello spazio degli elementi di struttura

secondaria. Esiste anche una struttura quaternaria, per cui si intende l'assemblaggio di diverse

subunità proteiche (un polimero, richiede più di una catena polipeptidica, detta subunità).

Possiamo identificare due classi di struttura quaternaria, i cosiddetti omopolimeri e gli

eteropolimeri: gli omopolimeri sono formati da subunità tutte identiche tra loro (la ferritina è un

omopolimero formato da 24 subunità tutte uguali tra loro), gli eteropolimeri sono invece formati da

subunità differenti (come l'emoglobina, due subunità alfa e due subunità beta). Ogni proteina è

definita, anche se non si conosce la struttura, da una unica struttura primaria; se è presente una

struttura primaria, essa corrisponde ad un'unica struttura; passare da una sequenza primaria ad

una sequenza secondaria, poi terziaria e quaternaria implica un processo (nel ribosoma viene

generata la struttura primaria, al di fuori del ribosoma viene operato il folding, il ripiegamento, fino

ad assumere una struttura secondaria, terziaria e infine quaternaria); non esistono due proteine

diverse con la stessa sequenza primaria.

Analizziamo gli elementi di struttura secondaria: alfa elica e foglietto beta, tenuti insieme da legami

idrogeno fra gli azoti alfa amminici e gli ossigeni alfa carbonilici (l'NH da atomo donatore e C=O

che funziona da accettore del legame H); la spaziatura delle strutture alfa o beta è assolutamente

regolare. Perché identifichiamo diverse strutture? Struttura alfa e

struttura beta dipendono dalla sequenza di amminoacidi: andando a

leggere la sequenza amminoacidica è possibile sapere se quella

proteina si ripiega in struttura alfa o beta; questo perché nella

formazione della struttura alfa, le catene degli amminoacidi si

pongono tutte disposte verso l'esterno, in una disposizione radiale

rispetto all'asse dell'elica; una struttura alfa può avere catene amminoacidiche laterali grandi (un

triptofano, una lisina, una arginina), perché i carboni alfa sono disposti radialmente sull'elica,

mentre le catene laterali sono perpendicolari all'asse dell'elica. L'elica, con amminoacidi troppo

piccoli, si spezza, non può proseguire come struttura alfa elica, la prolina causa un angolo di

legame non compatibile con l'alfa elica, la glicina ha troppi gradi di libertà, quindi si arrangia in

maniera da non contribuire alla formazione dell'alfa elica; quindi quando sono presenti glicina e

prolina nella struttura primaria, possiamo dire con certezza che non saranno incluse in un'alfa

elica, perché in corrispondenza di tali amminoacidi si interrompe; inoltre in presenza di cisteina, si

vengono a formare ponti disolfuro con un’altra cisteina lontana, alterando la struttura. In generale

quindi l'alfa elica può contenere amminoacidi importanti, mentre i foglietti beta possono ospitare i

residui di amminoacidi piccoli; ad esempio nella struttura beta possiamo ritrovare facilmente la

glicina, l'alanina, la serina, la prolina, la treonina, difficilmente si possono ritrovare triptofano,

arginina o lisina, perché hanno un ingombro sterico non indifferente. La struttura ad alfa elica è

considerata estremamente stabile, perché il numero di legami idrogeno che si formano per ogni

passo dell'elica è importante, fino a tre, quattro o cinque legami idrogeno per ogni passo dell'elica,

che a sua volta conterrà circa 3,6 amminoacidi (poi ci sono eliche più compatte o più distese), tutti

stabilizzati da legami idrogeno tra azoto alfa amminico e carbonio carbonilico. Nel foglietto beta,

legame idrogeno tra azoto alfa-amminico e carbonio carbonilico, però possono esserci due

disposizioni, cioè le catene polipeptidiche possono formare foglietti beta paralleli o antiparalleli:

antiparallelo avrà una direzione di due catene polipeptidiche in cui una è diretta in un senso e

l'altra nel senso opposto, il foglietto beta parallelo possiede catene

polipeptidiche orientate tutte nello stesso senso, ciò che differisce è

la distribuzione dei legami idrogeno. Amminoacidi ingombranti

difficilmente saranno presenti in foglietti beta o, quando ci

sono, renderanno il foglietto distorto. I foglietti beta antiparalleli

introducono un motivo strutturale molto frequente che sono le

regioni a forcina, cioè tipicamente i foglietti beta sono

costituiti da un filamento, una zona a forcina ed un altro

filamento; queste zone si riconoscono perché una curvatura così importante della catena

polipeptidica deve contenere una all'inizio e una alla fine della forcina, si può quindi identificare

dalla catena primaria.

La classificazione strutturale delle proteine si è evoluta negli ultimi, anche perché le strutture di

quasi tutte le proteine sono state ottenute, quindi sono stati introdotti dei concetti che aiutano la

comprensione: tra struttura secondaria e terziaria viene indicato il motivo strutturale, un insieme di

elementi di struttura secondaria che non rappresenta tutta la struttura terziaria di una proteina.

Quando l'alfa elica incontra una prolina o una glicina, essa si interrompe effettuando una

curvatura, come nei sistemi a forcina dei foglietti beta; questa curvatura può contenere più

amminoacidi che vanno a formare la cosiddetta ansa; quindi un primo motivo strutturale

identificabile è il cosiddetto elica-ansa-elica.

Gran parte delle proteine e degli enzimi che esplicano una funzione, concentrano delle proprietà

particolari proprio nella regione dell'ansa, perché le alfa eliche sono rigide, mentre le regioni

dell'ansa risultano mobili e quindi possono muoversi ed esplicare delle funzioni, esempio la

calmodulina, ha una struttura ad alfa elica, con unica subunità (possiede un N-terminale e un C-

terminale) e due lobi, fra i lobi sono presenti delle regioni disordinate che formano delle anse fra

alfa eliche; nelle quattro anse tra le alfa eliche si concentrano degli amminoacidi, in particolare

aspartato e glutammato, carichi negativamente, che sono in grado di legare gli ioni calcio, la

calmodulina è una delle proteine più importanti dell'omeostasi del calcio, deve infatti essere in

grado di legare e rilasciare gli ioni calcio; la funzione è concetrata sull'ansa fra due alfa eliche,

ricca, oltre che di glicine e proline per la curvatura, anche di amminoacidi carichi negativamente

che legano il calcio. Altro motivo strutturale molto frequente nelle proteine è il motivo strutturale

beta-alfa-beta [con una notazione topologica una freccia, un'ansa (l'alfa elica) e una freccia, è

questa la notazione topologica di motivo strutturale beta alfa beta, indicando l'N-terminale e il C-

terminale]; beta alfa beta è sempre posto in maniera tale che i due foglietti beta formino una coppia

di foglietti paralleli con un'alfa elica posta sopra, perché il foglietto beta isolato non esiste,

esempio: il motivo strutturale beta alfa beta alfa ripetuto quattro volte, a

formare una struttura terziaria nella proteina. [] i foglietti beta sono tutti

paralleli, i foglietti si pongono verso l'interno a formare la superficie laterale

di un cilindro, a formare il cosiddetto motivo strutturale definito beta-barrel o

barile-beta.

Una volta raggiunta la struttura terziaria, non sempre occorre la struttura quaternaria, possono

essere presenti i cosiddetti domini: ci sono delle proteine formate da singole subunità, non hanno

struttura quaternaria, un'unica catena polipeptidica che presenta più

strutture terziarie. I domini sono come delle subunità, non sono catene

polipeptidiche separate ma appartengono alla stessa catena

polipeptidica. Molte proteine sono definite multidominio, perché ogni

dominio costituisce una struttura terziaria a sé stante, ma risulta

collegata covalentemente al dominio successivo nella stessa catena

polipeptidica; non si parla quindi di diverse subunità ma di diversi

domini.

Questa è una proteina multidominio, costituita da un'unica catena

polipeptidica, dove se si taglia con una proteasi in corrispondenza, si ottengono delle strutture

terziarie ben caratterizzate; spesso le proteine multidominio sono delle proteine complesse con

funzioni peculiari, cioè ogni dominio è funzionalmente autonomo.

L'ultimo motivo strutturale è il cosiddetto fascio a 4 eliche, che illustra

alcune proprietà interessanti. Il fascio a quattro eliche (four-helices

bundle) è una struttura caratteristica, è presente in molte proteine e

illustra una proprietà fondamentale delle alfa eliche: molte alfa eliche

presentano amminoacidi idrofobici (uno ogni tre o uno ogni quattro)

che si stabiliscono tutti sullo stesso versante dell'elica (caratteristica

deducibile dalla struttura primaria della proteina), costituendo la

cosiddetta alfa elica anfipatica, cioè presenta residui idrofobici concentrati su

un lato e residui idrofilici concentrati sul lato opposto; le strutture di questo tipo si presentano a

quartetti, quattro alfa eliche antiparallele che formano questo motivo strutturale molto comune,

caratterizzato da residui amminoacidici di ciascuna alfa elica idrofobici diretti verso l'interno del

fascio e residui idrofilici diretti verso l'esterno.

Alcuni esempi:

Come si utlizza un visualizzatore molecolare: si visualizza la struttura 3d completamente nuda, la

rappresentazione ribbon, a nastro, struttura della proteina interpolando i carboni alfa; si valuta la

rappresentazione tubulare, in cui si interpolano i carboni alfa, messi in evidenza i ponti disolfuro.

La visione a bastoncino permette di visualizzare tutte le catene laterali (amminoacidi rappresentati

senza idrogeni). La visualizzazione space-filling o CPK è la più vicina alla realtà, fa vedere il raggio

di Van der Waals di ogni singolo atomo, però si può evidenziare la superficie di ogni protei