Lezioni: Appunti di Biochimica

Vi sono molti esempi di motivi strutturali e ciò rivela che la struttura terziaria delle proteine è stata

conservata in maniera più fedele rispetto alla struttura primaria.

Proteine con somiglianze sigificative nella struttura primaria e con struttura terziaria e funzione simili

fanno parte della stessa famiglia; in alcuni casi due o più famiglie fanno parte della stessa superfamiglia

in quanto fanno uso dello stesso motivo strutturale. E' probabile che tali proteine siano evolutivamente

correlate ma il tempo ha cancellato molte delle relazioni fra le sequenze.

La struttura quaternaria comprende strutture proteiche che vanno dai dimeri a complessi più

grandi

Molte proteine sono formate da più subunità polipeptidiche, molte delle quali hanno funzioni regolatrici.

Alcune associazioni, come quelle delle proteine fibrose, hanno principalmente significato strutturale,

altre invece hanno scopi più complessi. Le proteine costituite da più subunità sono definite multimeri.

Un multimero costituito da poche subunità è detto oligomero. La maggioranza dei multimeri ha subunità

identiche che conferiscono alla proteina una certa simmetria. L'unità strutturale ripetitiva di una proteina

multimerica, sia essa una subunità o un gruppo di subunità, viene detta protomero. La prima proteina

oligomerica di cui è stata determinata la struttura è l'emoglobina. Essa può essere considerata un

tetramero o un dimero formato da due protomeri alfa beta (alfa e beta non si riferiscono alla struttura

secondaria). Esistono vari tipi di simmetria che si possono riscontrare in una proteina: gli oligodimeri

possiedono o una simmetria rotazionale o una simmetria elicoidale cioè le singole subunità possono

essere sovrapposte tramite la rotazione intorno ad uno o più assi rotazionali oppure tramite una

rotazione elicoidale. Nelle prime le subunità sono riunite attorno agli assi rotazionali in modo da formare

strutture chiuse. Nell'altro caso invece esse formano strutture aperte e le subunità si dispongono a

spirale una di seguito all'altra. Tra le simmetrie rotazionali abbiamo la simmetria ciclica che implica la

rotazione attorno a un singolo asse e la simmetria diedrica in cui un asse rotazionale binario interseca

un altro asse n volte rotazionale. La simmetria icosaedrica invece è tipica dei capsidi di alcuni virus: un

icosaedro è un poliedro a 12 vertici costituito da 20 facce. Anche la simmetria elicoidale si ritrova nei

capsidi (virus del mosaico del tabacco) ed inoltre è tipica del filamento di actina.

Denaturazione e ripiegamento delle proteine

I polipeptidi si ripiegano durante e dopo la sintesi ed assumono la loro conformazione nativa.

La perdita della struttura provoca la perdita della funzione delle proteine

Le proteine si sono evolute per svolgere la loro funzione nelle particolari condizioni ambientali della

cellula. Se esposte ad ambienti diversi esse possono andare in contro a variazioni anche di notevoli

entità. La perdita della struttura tridimensionale di una proteina è detta denaturazione. Nella maggior

parte dei casi le proteine denaturate assumono delle conformazioni parzialmente ripiegate ancora non

ben definite. Le proteine si denaturano al calore, il quale rompe le interazioni deboli e legami a

idrogeno. La perdita di struttura di una regione induce la destabilizzazione di altre regioni: infatti se

aumentiamo gradualmente la temperatura osserviamo che la conformazione rimane intatta finché non

si ha un brusco cambiamento. Le proteine si denaturano anche a certi pH (che ne alterano la carica

netta causando repulsioni elettrostatiche) e in solventi miscibili con l'acqua quali alcol e acetone, o in

soluti come l'urea: ciascuna di queste sostanze mantiene tuttavia intatti i legami covalenti delle catene

polipeptidiche. Le strutture che si ottengono con questi trattamenti non sono necessariamente le

stesse. La sequenza degli amminoacidi determina la struttura terziaria

La prova di questa affermazione la si ha se si osserva che la denaturazione di alcune proteine è

reversibile → rinaturazione. Un classico esempio di denaturazione e rinaturazione è l'esperimento

condotto da Anfinsen sulla Ribonucleasi A. Essa venne denaturata ad opera di una soluzione di urea e

agente riducente ma quando le due sostanze venivano rimosse la ribonucleasi si riavvolgeva

spontaneamente riacquistando la sua attività catalitica. La formazione dei ponti disolfuro nelle giuste

posizioni dipende dalle interazioni deboli che si formano precedentemente; essi si formano

casualmente se si mantiene l'agente denaturante e si sottrae solo l'agente riducente. In seguito gli

stessi risultati sono stati ottenuti con la ribonucleasi sintetizzata chimicamente. La rinaturazione è una

prerogativa di poche e piccole proteine dotate di un'intrinseca stabilità. La gran parte delle proteine

richiede la presenza di altre proteine per ripiegarsi.

I polipeptidi si ripiegano rapidamente secondo un processo a tappe

Se le proteine provassero tutte le conformazioni possibili prima di raggiungere la conformazione nativa

esse impiegherebbero dei tempi incompatibili con la vita. Il ripiegamento dunque non è un processo

casuale fatto di tentativi e errori → paradosso di Levinthal. Il processo di ripiegamento delle proteine

non è stato ancora chiarito. Un modello prevede che il processo di ripiegamento abbia un carattere

gerarchico (prima struttura secondaria, poi terziaria). Secondo un modello alternativo inizialmente il

ripiegamento è favorito dalla formazione di uno stato compatto mediato da interazioni idrofobiche tra

residui non polari (collasso idrofobico → molten globule). La maggior parte delle proteine probabilmente

si ripiega attraverso un processo che segue ambedue i modelli. Dal punto di vista termodinamico il

processo di ripiegamento può essere descritto come un processo in cui l'energia libera ha un

andamento a imbuto. La proteina passa da un alto a un più basso stato di entropia. La stabilità

termodinamica non si distribuisce uniformemente su tutta la struttura della proteina: la molecola spesso

presenta regioni ad alta e bassa stabilità.

Il ripiegamento di alcune proteine è un processo assistito

Non tutte le proteine si ripiegano autonomamente: molte hanno bisogno della presenza di chaperoni

molecolari. Si tratta di proteine che si legano a proteine non ripiegate o ripiegate non correttamente per

facilitarne il ripiegamento (per esempio creando un microambiente adatto). Sono state individuate due

classi di chaperoni molecolari. La prima classe è costituita da una famiglia di proteine chiamate Hsp70

(heat shock protein): esse si legano a regioni di polipeptidi ricche di residui idrofobici impedendo

aggregazioni improprie. Inoltre esse sono indispensabili quando si legano a proteine che devono

rimanere non ripiegate fino a che non sono state trasferite attraverso la membrana. Le proteine Hsp70

si legano e si staccano dai polipeptidi grazie all'intervento dell'ATP e che coinvolge altre proteine come

Hsp40. La seconda classe è quella delle chaperonine, complessi proteici più sofisticati. Vennero

individuate quando si scoprì che esse sono necessarie per la crescita di alcuni virus batterici: la

proteina che deve ripiegarsi entra all'interno di una sacca, GroEL, che viene transitoriamente chiuse dal

coperchio GroES. Anche questo tipo di proteine necessitano di ATP per svolgere il loro compito. Il

meccanismo con il quale le chaperonine GroEL e GroES facilitino in meccanismo di ripiegamento di

alcune proteine non è ben chiaro ma dipende dalle caratteristiche della tasca interna dove avviene il

ripiegamento peptidico. Infine il ripiegamento di alcune proteine richiede la presenza di enzimi che

catalizzano le reazioni di isomerizzazione. La proteina disolfuro isomerasi catalizza l'interscambio dei

ponti disolfuro finché non si formano i ponti della conformazione nativa. La propil cis-trans isomerasi.

I difetti nell'avvolgimento delle proteine sono la base molecolare di un vasto numero di malattie

genetiche

Non tutti i processi di ripiegamento vanno a buon fine. Si pensa che circa ¼ di tutti i polipeptidi

sintetizzati venga distrutto poiché non riesce a ripiegarsi correttamente. Molte patologie come il diabete

di tipo 2, il morbo di Parkinson e di Huntington hanno in comune un meccanismo di avvolgimento

sbagliato simile che non va in contro a degradazione. In molti casi la proteina mal ripiegata viene

escreta dalla cellula e forma una fibra amiloide. Le malattie che ne derivano sono chiamate amiloidosi.

Tali fibre solo insolubili e altamente ordinate in quanto presentano un elevato numero di foglietti beta

ordinati perpendicolarmente all'asse della fibra. I foglietti beta di una o più proteine avvolte in modo

incompleto si associano parallelamente e danno vita a una fibra amiloide. Essa è stabilizzata

dall'interazione di gruppi R aromatici che di proteine differenti. Alcune amiloidosi sono sistemiche e

coinvolgono molti tessuti → amiloidosi sistemica primaria. Nell'altro caso la proteina che non riesce a

raggiungere la sua conformazione nativa viene degradata e perde la sua funzionalità (es fibrosi cistica).

Un malripiegamento di alcune proteine è alla base delle malattie prioniche, malattie rare come le

encefalopatie spongiformi (es → mucca pazza). L'agente infettivo è una singola proteina detta prione

che si ripiega scorrettamente. Questo genera una reazione a cascata che fa sì che molte proteine

seguano il suo corso. Cap 5 – La funzione delle proteine

Le proteine sono strutture dinamiche con una precisa struttura tridimensionale le cui funzioni dipendono

inevitabilmente dall'interazione con altre molecole (per la maggior parte questi contatti sono fugaci). La

funzione delle proteine fibrose come elementi strutturali delle cellule e dei tessuti dipende da interazioni

quaternarie stabili tra catene polipeptidiche simili. Di seguito i principi basilari sulla funzione delle

proteine:

- la funzione di molte proteine richiede il legame reversibile con altre molecole. Una molecola legata

reversibilmente a una proteina viene detta ligando

- un ligando si lega ad un sito sulla proteina detto sito di legame: l'interazione è specifica poiché il

ligando è complementare al sito di legame per forma, carica e carattere idrofobico/idrofilico. Una

proteina può avere più siti di legame. Le interazioni molecolari specifiche sono cruciali per il

mantenimento di un elevato grado di ordine all'interno dei sistemi viventi. L'acqua interagisce invece

debolmente ma in modo non specifico con molte parti di una proteina e può essere indispensabile per

l'azione di alcuni enzimi

- le proteine sono flessibili: le modificazioni conformazionali sono impercettibili, per questo si dice che la

proteina respira. In