La struttura delle proteine biochimica

La struttura tridimensionale delle proteine

La catena polipeptidica è fatta da molti atomi legati tra di loro. Se la rotazione dei legami fosse libera, si potrebbero generare tantissime conformazioni delle proteine, concetto che si scontrerebbe con la funzione unica associata a ciascuna proteina. Si può concludere che la struttura di una proteina potrà variare al massimo entro uno stretto range di possibilità.

• La struttura tridimensionale è decretata dalla sequenza degli amminoacidi
• La funzione di una proteina dipende dalla configurazione tridimensionale
• La struttura tridimensionale di una proteina è unica e sola
• Le forze che mantengono la configurazione spaziale di una proteina sono interazioni deboli, non covalenti

L’organizzazione degli atomi in una proteina viene detta conformazione, ovvero quello stato strutturale che può interconvertirsi in un altro stato strutturale senza rompere nessun legame covalente. La conformazione che tende ad essere quella maggiormente presente in genere è la più stabile termodinamicamente e quindi che ha minore energia libera di Gibbs. Le proteine che si trovano nella configurazione funzionale vengono dette native.

La stabilità di una proteina (intesa come la tendenza a permanere nella conformazione nativa) deriva in larga misura dal numero di interazioni deboli che instaura, a causa della loro presenza in numero maggiore. Quando si vengono a instaurare dei legami ad idrogeno c’è una variazione negativa dell’energia di Gibbs compensata però dalla precedente rottura del legame ad idrogeno tra il gruppo della proteina e l’acqua: quindi per questo tipo di legame la variazione di energia di Gibbs è pressoché zero.

Il fattore favorevole alla stabilità della struttura proteica è il fattore proteico. Le molecole d’acqua formano intorno alla proteina delle strutture molto ordinate che tendono a far diminuire in modo non favorevole l’entropia. Quindi, nel momento in cui si ha un ripiegamento delle terminazioni apolari all’interno della proteina, le subunità polari invece saranno esposte alla superficie dell’acqua con la quale potranno instaurare dei legami ad idrogeno. Un effetto stabilizzante è dato anche dai ponti salini che si formano tra le coppie di ioni.

Il legame peptidico

Si forma un legame ammidico N-C che risulta essere più corto rispetto al legame presente in una comune ammide, segno della presenza di una struttura di risonanza e di una distribuzione degli elettroni lungo la struttura. La delocalizzazione degli elettroni avviene a livello del carbonio, dell’azoto e dell’ossigeno e in particolare a livello dell’ossigeno si riscontra una carica negativa mentre a livello dell’azoto una carica negativa. A causa della presenza dei doppi legami non sono possibili le libere rotazioni attorno a tutti i legami che si formano ma solo tra N-C_α (con un angolo phi) e tra C_α-C (con un angolo psi). Tecnicamente questi due angoli possono assumere tutti i valori compresi tra -180° e +180° ma in effetti la maggior parte di questi valori sono proibiti a causa dell’interferenze steriche. I valori permessi vengono inseriti all’interno di un grafico che prende il nome di grafico di Ramachandran.

La struttura secondaria delle proteine

È una conseguenza diretta della struttura primaria e si riferisce alle interazioni che si instaurano tra gli atomi vicini. Le strutture secondarie stabili e largamente rappresentate sono poche e tra queste le più importanti sono le α-eliche e β-foglietto.

α-eliche

È una struttura elicoidale in cui lo scheletro del peptide è arrotolato attorno ad un asse immaginario longitudinale all’elica e passante per il suo centro. Le catene laterali R degli amminoacidi sporgono all’esterno dell’elica. L'unità ripetitiva di un giro d’elica si estende per una lunghezza di 5,4 Å lungo l’asse. In questa conformazione l’angolo phi assume un valore di -60° mentre l’angolo psi può variare da -50° a -45°. Questo tipo di struttura compone mediamente ¼ di ciascuna proteina ma la percentuale esatta varia per ciascuna di esse. La struttura è stabilizzata dalla presenza dei legami ad idrogeno tra l’idrogeno legato all’azoto e l’ossigeno del 4° residuo successivo posto nella direzione dell’ammino-terminale. Ogni giro è tenuto insieme da 3 o 4 legami idrogeno che nel complesso formano una struttura molto stabile.

L’elica si può formare sia con l’isomero L che con quello D a patto che nella singola elica sia presente un solo stereoisomero. Per quanto gli L-amminoacidi possano formare sia eliche destrorse che eliche sinistrorse, le proteine sono quasi tutte composte da eliche destrorse. Le eliche non possono essere molto lunghe, si estendono infatti per un massimo di 40 Å.

L’α-eliche è molto diffusa a causa della sua stabilità ma ci possono essere alcuni fattori, legati alla sequenza amminoacidica, che vanno a diminuire questa proprietà.

• Repulsione e attrazione elettrostatica tra gruppi R carichi: repulsione tra Glu vicini