La struttura delle proteine biochimica

LE PROTEINE FIBROSE

Sono costituite per lo più da un unico tipo di struttura secondaria; questo tipo di struttura terziaria

conferisce alla fibra la resistenza ed elasticità, che le rende adatte per rivestire una funzione

strutturale. A causa della grande presenza di amminoacidi idrofobici, le proteine fibrose sono

insolubili in acqua; si nascondono dall’acqua mediante l’aggregazione e la formazioni di complessi

sopramolecolari.

α

• - cheratina: è adatta a resistere alla tensione e si trova nei capelli, nelle unghie e negli

artigli. Fanno parte di una grande famiglia di proteine chiamate filamenti intermedi. È

un’elica destrorsa organizzate in un avvolgimento avvolto ( coiled coil ), ovvero due o più

catene con uguale direzionalità si avvolgono l’una sull’altra per formare un

superavvolgimento e quindi una catena più lunga che può misurare anche 1000 A°. Questa

organizzazione aumenta la resistenza della fibra. L’andamento elicoidale del

superavvolgimento è sinistrorso. L’avvolgimento di due catene è un esempio di struttura

quaternaria. La struttura può essere ulteriormente rafforzata dalla presenza di legami crociati

( ponti disolfuro) tra le catene polipeptidiche. Per questo motivo si evidenzia che la

percentuale di cisteina corrisponde alla resistenza della fibra di cheratina.

• Collageno: è presente nei tendini, nella matrice delle ossa, nella cartilagine e nella cornea

dell’occhio. Ha la funzione di resistere alla tensione. Le singole catene sono sinistrorse ma si

uniscono in gruppi di tre per formare un avvolgimento-avvolto destrorso. Per quanto

riguarda la sua composizione, deriva dal legame di 1000 amminoacidi di cui 600 sono la

ripetizione di Gly-x-HyPro oppure di Gly-x-Pro. La prolina stabilizza la struttura perché

permette l’arrotolamento stretto della catena polipeptidica.

L’idrossilipina non viene codificata da un particolare codone ma deriva dalla successiva

modifica dell’amminoacido di partenza.

La reazione avviene in presenza di vitamina C, che per le sue proprietà antiossidanti, presenta lo

ione del ferro dalla riduzione. In mancanza di vitamina C si manifesta una malattia che prende il

nome di Scorbuto. Questa è caratterizzata da un collageno poco resistente e quindi dalla difficoltà di

coagulazione.

Tra le catene di Collageno si evidenziano i legami corciati che conferiscono una diversa elasticità

alla molecola proteica. Negli anziani, in cui è più alta la concentrazione di Lisina, si forma un

maggior numero di legami crociati che conferiscono alla proteina la caratteristica di essere più

rigida ma allo stesso tempo più fragile.

• Conversione del C-amminico in C-imminico

• Legame crociato tra lisina e allisina

• Reazione tra due allisine ( condensazione aldolica)

• Reazione tra tre allisine e una lisina

LE PROTEINE GLOBULARI

Le proteine globulari sono le più diffuse nell’organismo e adempiono a molte funzioni. Hanno una

firma molto compatta e sono idrofiliche.

Le proteine globulari si trovano divise in 4 classi:

• Motivo tutto α: forma una struttura ad angolo, ad esempio l’ albumina del siero

• Motivo tutto β: collagenasi

• Motivo α-β-α=forma una struttura a cappio (loop); si ritrova nell’alcool deidrogenasi;

• Struttura α+β= le due strutture sono poste in maniera causale. Es ubiquitina.

Le caratteristiche comuni di una proteina globulare sono:

• Le interazioni idrofobiche costituiscono la principale fonte di stabilità. Affinchè tutti i

residui apolari si trovi all’interno della proteina è necessario che vi siano almeno due strati

che formano una diversa struttura secondaria.

• Quando le strutte α e β sono presenti all’interno della stessa struttura, si trovano in due strati

diversi perché risulta molto diffcile la formazione di legami ad idrogeno fra queste due

strutture.

• I segmenti adiacenti sono in genere vicini nella forma ripiegata ma è anche vero che può

accadere che dei segmenti normalmente distanti si possono trovare vicini

• La struttura β risulta più stabile quando è inclinata di pochi gradi a destra perché così le

connessioni tendono ad essere più corte. Si genera così la struttura a barile β o a foglietto β

avvolto. Un motivo particolarmente stabile è la struttura a barile che si forma partendo dal

loop α-β-α, in cui ogni segmento β parallelo è legato a quello vicino da un segmento α.

Questa struttura è presente in molti enzimi ed è associata a un sito di legame per il

substrato.

LA MIOGLOBINA E L’EMOGLOBINA

L’ossigeno si muoverebbe in modo molto lento all’interno del flusso sanguigno pertanto lo si trova

sempre associato o all’emoglobina, nel caso fosse necessario il suo trasporto, o alla mioglobina nel

caso fosse necessario il suo immagazzinamento. L’emoglobina è addetta anche al trasporto di CO .

2

È una piccola proteina composta da una catena di 153 amminoacidi ripiegati a formare 8 segmenti di α

eliche interrotte da ripiegamenti, alcuni dei quali sono β. Il 78% degli amminoacidi si trovano in una

struttura α. Tutti gli amminoacidi con residui apolari si trovano compatti all’interno della proteina

mentre i residui polari, ad eccezione di due si trovano all’esterno e sono tutti idratati. Protetto dalla

catena proteica vi è un anello ferroporfirinico che prende il nome di eme e serve per legare l’ossigeno.

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Il ferro è protetto dalla soluzione ossigenata che altrimenti lo ossiderebbe a Fe che non è capace di

legare l’ossigeno.

La funzione della mioglobina è quella di legare l’ossigeno e di conservarlo a livello dei muscoli.

L’IMPORTANZA DEL CORRETTO RIPIEGAMENTO

LA MALATTIA DA PRIONE

L’encefalopatia spongiforme è causata dalla Proteina prionica (Prp) mal ripiegata. Normalmente

questa proteina è presente all’interno dell’organismo, e si ancora ai lipidi di membrana. L forma

c

normale in cui si presenta è la Prp ma quando si presenta nella sua norma mal ripiegata ( solo

struttura secondaria β) ,determina un effeto a cascata sulle altre Prp fisiologiche che vengono

convertite in quelle patologiche. Il passaggio da una forma all’altra è generalmente dovuto alla

sostituzione di un amminoacido. Si è visto però che inserendo questa forma patologica della

proteina all’interno di topi transgenici che non presentavano affatto il gene per questa proteina,

questi non si ammalavano. La malattia da prione causa la demenza ed ha un esito infausto. Tutto

questo fa comprendere quanto sia importante il corretto ripiegamento delle proteine.

DENATURAZIONE

La conformazione nativa è solo parzialmente stabile ( la variazione di energia di Gibbs a seguito del

ripiegamento è molto bassa, -5/10 Kcal/mole, quindi il processo è reversibile) quindi bastano poche

modifiche dell’ambiente come la variazione di temperatura o di pH per mutare totalmente la

funzionalità della proteina. La perdita della struttura tridimensionale si chiama denaturazione, e può

corrispondere anche a una variazione minima nel ripiegamento.

Il calore può denaturare le proteina perché causa la rottura dei legami ad idrogeno, e in generale dei

legami deboli. Quando il calore si somministra poco per volta, all’inizio non si notano mutazioni

ma poi con una piccola variazione ulteriore di temperatura si ha una brusa perdita di struttura;

questo segnale che fra i vari amminoacidi della catena vi è un meccanismo cooperativo e che quindi

la perdita di una parte della struttura destabilizzi anche il resto. Degli effetti simili li ritroviamo

anche con la variazione di pH della soluzione.

IL RIPIEGAMENTO

Anfisen dimostrò che l’informazione per il corretto ripiegamento della proteina è contenuta

all’interno della struttura primaria. Questo si dimostra osservando la rinaturazione della ribonucleasi

a seguito del trattamento con urea. L’urea denatura questo enzima facendogli perdere i 4 ponti

disolfuro presenti nella sua struttura; ma quando la proteina non è più sottoposta al contatto con

l’urea, i ponti di solfuro si riformano.

Il tempo di ripiegamento della proteina è molto breve, circa 5 secondi, il che si scontra con il

numero elevatissimo di possibili conformazioni che la proteina dovrebbe provare prima di trovare

quella più stabile. Se considerassimo ad esempio una proteina molto semplice composta da 100

amminoacidi, considerando che ciascuno di essi potrebbe avere 10 conformazioni diverse, in totale

100

ci sarebbero 10 possibili combinazioni. Se per assumere ciascuna combinazione si impiegasse il

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tempo di una vibrazione molecolare, 10 s sarebbero necessari 10 anni. Studiando il ripiegamento

si è visto che non è possibile avere uno stadio intermedio ma le proteine si possono presentare al

50% delle possibilità nella forma ripiegata e al 50 % delle possibilità nella forma non ripiegata.

Vi sono due modelli che cercano di spiegare il ripiegamento delle proteine:

1. Modello gerarchico: si formano per prima le strutture secondarie, secondo i modelli α e β

guidati dalle costrizioni intrinseche di ciascun amminoacido. La prima fase è la più difficile

e la più lenta. I segmenti ripiegato aiuteranno quelli non ripiegati a farlo e le strutture

intermedie saranno stabilizzate da delle interazioni deboli. Seguiranno poi le interazioni a

raggio più lungo, ad esempio le strutture supersecondarie delle α eliche.

2. Il globulo fuso: mediante delle interazioni idrofobiche tra residui non polari, la catena

assume un aspetto compatto; questo processo si chiama collasso idrofobico, e porta alla

formazione del globulo fuso in cui si possono anche essere formate delle strutture terziare

ma sei residui possono non avere ancora assunto la posizione definitiva.

La maggior parte delle proteine si avvolge secondo un modello intermedio tra questi due.

LA TERMODINAMICA DEL RIPIEGAMENTO

Gli stadi non ripiegati possiedono un elevato contenuto energetico e ad anche un elevato grado di

entropia conformazionale.

Il primo modello rappresenta il paradosso di Levinthal, in cui si passa bruscamente da uno stato non

ripiegato ad alto contenuto energetico, a uno ripiegato a contenuto energetico minimo. Se il

ripiegamento avvenisse in maniera casuale, provando prima tutte le possibili conformazioni, ci

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vorrebbero 10 anni per il ripiegamento di una singola piccola proteina.

Il secondo modello rappresenta l’andamento reale; il restringimento dell’imbuto rappresenta la

diminuzione del n