Struttura proteine; mioglobina e emoglobina

PROTEINE

Le proteine sono polimeri di amminoacidi. Esse svolgono ruoli differenti e fondamentali negli

organismi viventi.

Gli amminoacidi hanno una struttura anfipatica. In acqua si trovano nella forma di

zwitterioni, ossia hanno carica netta neutra ma presentano nella loro struttura delle cariche.

Gli amminoacidi possono essere divisi in vari gruppi in base alle loro caratteristiche chimico-

fisiche: idrofobi non polari, polari non carichi, polari carichi con catene basiche e polari

carichi con catene acide. Gli amminoacidi presenti nelle carene polipeptidiche biologiche

sono nella dorma di L-amminoacidi. Le molecole con caratteristiche di amminoacidi sono

moltissime ma solo 20 sono codificabili dagli organismi viventi.

Alcuni amminoacidi fungono da precursori di molecole biologiche importanti come alcuni

neurotrasmettitori. Ad esempio il GABA deriva dall’acido glutammico. La dopamina si

ottiene dall’amminoacido tirosina.

- Il gruppo –OH degli amminoacidi può subire fosforilazioni (ad es. avviene in serina e

treonina).

- Gli amminoacidi possono essere carbossilati. La carbossilazione consiste nell’aggiunta

di CO2. Sulla molecola amminoacidica carbossilata ci saranno due gruppi COO- che

possono attrarre il Calcio. Si ha una chelazione del calcio con formazione di un reticolo

che è ad esempio implicato nella coagulazione del sangue.

Per quanto riguarda le PROTEINE, per catene costituite da massimo 10 amminoacidi si parla

in realtà di peptidi. Con oltre 10 amminoacidi si parla di polipeptidi. Nelle catene peptidiche

gli amminoacidi sono legati dal legame peptidico. Esso ha parziale carattere di doppio legame

per cui non vi può essere rotazione intorno al legame C-N. Rotazioni sono invece possibili

sui carboni α: i gruppi laterali possono disporsi quindi in cis e in trans. È favorita la

conformazione trans in quanto garantisce una minore repulsione tra i gruppi R.

In qualsiasi polimero si hanno due estremità che devono essere caratterizzate. Nei

polipeptidi le estremità si differenziano come ammino-terminale (N-terminale) e carbossi-

terminale (C-terminale). Il residuo N-terminale è il residuo numero uno nella catena. Sulle

due estremità possono avvenire reazioni come acetilazione e formilazione.

STRUTTURA PROTEINE

Per quanto riguarda la struttura delle proteine, si distinguono quattro livelli differenti.

Struttura primaria

Consiste semplicemente nella sequenza amminoacidica che contraddistingue la catena

polipeptidica.

Struttura secondaria

La struttura secondaria è determinata dalla disposizione spaziale dello scheletro carbonioso

della catena polipeptidica. In particolare alcune regioni della catena possono disporsi

seguendo particolari schemi. La struttura secondaria si riferisce alla disposizione spaziale di

residui amminoacidici adiacenti in un segmento di un polipeptide. Tutte le biomolecole

tendono ad assumere la struttura più stabile possibile che è quella ad energia potenziale

minore. Due strutture secondarie sono particolarmente stabili: l’α-elica e il foglietto β.

- α-elica: è una struttura formata da una spirale regolare che ha sempre lo stesso angolo

tra i carboni α. Tutti gli avvolgimenti sono destrorsi e gli angoli sono di 100°. La

distanza tra i carboni α è di 100 A. Sono presenti 3,6 residui per ogni giro dell’elica e

la distanza tra un giro e l’altro è di 5,4 A. L’α-elica è stabile poiché con questa

conformazione l’ossigeno si trova in corrispondenza con il gruppo NH

dell’amminoacido sottostante. In questo modo è favorita la formazione di legami

idrogeno con la distanza di legame ottimale. I legami idrogeno saldano l’elica

rendendola fissa e stabile.

Questa struttura si ha in condizioni fisiologiche. Quando non si trova in queste

condizioni la proteina denatura e non è più funzionale. Tuttavia essendo una struttura

molto stabile è necessaria molta energia per la denaturazione. I gruppi R sono rivolti

tutti verso l’esterno dell’elica. La prolina “altera” i parametri caratteristici dell’elica in

quanto ha una struttura bloccata. Questi punti di “interruzione” sono necessari per il

corretto ripiegamento della proteina.

- Foglietto β: può essere parallelo o anti-parallelo. Si formano legami idrogeno tra

catene affiancate. In quello parallelo le catene hanno lo stesso verso, in quello anti-

parallelo verso opposto. L’anti-parallelo è più stabile poiché non ci sono forzature nella

formazione dei legami idrogeno.

Per essere nella loro struttura tridimensionale, le catene devono ripiegarsi. I ripiegamenti sono

detti loop e sono segmenti senza struttura secondaria. Sono costituiti da massimo 4

amminoacidi. Quando sono piccoli servono solo a dare un ripiegamento minimo. Possono

però essere più lunghi e in questo caso possono svolgere funzioni biologiche importanti ad

es. ancoraggio alla membrana plasmatica.

Struttura terziaria

La struttura terziaria è determinata dalle interazioni a lungo raggio tra i gruppi laterali degli

amminoacidi. Queste interazioni stabilizzano la struttura e determinano la disposizione

tridimensionale della proteina. Le interazioni implicate sono soprattutto legami deboli, l’unica

interazione covalente è costituita dal ponte disolfuro (S-S). Il numero di ponti S-S è

determinato geneticamente ed essi si formano durante il ripiegamento grazie a particolari

proteine chiamate chaperonine. La formazione dei ponti è una reazione redox reversibile.

Possono essere presenti sia ponti intercatena sia ponti intracatena.

Per far sì che le proteine assumano la loro forma “matura” possono essere necessari dei tagli

proteolitici. Ad esempio l’insulina è sintetizzata inizialmente come precursore inattivo. Varie

proteasi eseguono tagli proteolitici mirati che determinano la formazione della proteina

fisiologicamente attiva.

Struttura quaternaria

La struttura quaternaria è determinata dall’unione di più catene peptidiche differenti, che

determina la formazione della proteina biologicamente attiva. Dal punto di vista biologico

questa struttura porta una serie di vantaggi. Una proteina formata da più “moduli” può essere

più facile da trasportare, più facile da riparare in caso di errori, più stabile, più essere

regolabile in maniera più semplice e più fine. Un esempio tipico di proteina a struttura

quaternaria è l’emoglobina, costituita da quattro catene differenti.

ESEMPI DI PROTEINE FIBROSE

Le proteine fibrose hanno catene disposte in lunghi fasci o foglietti.

CHERATINE

Sono varie proteine che presentano elementi comuni ed alcune differenze, in particolare per

quanto riguarda la distribuzione.

Le α-cheratine si ritrovano nei mammiferi. Le β-cheratine sono diffuse in uccelli e rettili.

Sono la principale componente degli strati cornei epidermici.

Si associano in dimeri che formano a loro volta i protofilamenti. Essi associandosi formano

microfibrille le quali a loro volta vanno a costituire il filamento proteico.

Nelle singole catene vi sono 7 residui amminoacidici ripetuti. Si crea un lato tutto formato da

amminoacidi apolari e quindi completamente idrofobico. Si viene a formare il cosiddetto

avvolgimento coiled-coil a causa dell’adesività di queste sequenze.

FIBROINA DELLA SETA

Costituita da foglietti β anti-paralleli. Anch’essa ha una sequenza di 7 amminoacidi ripetuta.

È importante la glicina nella sua struttura.

COLLAGENO

È la proteina più abbondante nei vertebrati. Forma fibre insolubili e resistenti.

È una tripla elica. Vi sono vari tipi di collagene. Il più frequente è il tipo I.

Si alternano gli amminoacidi Gly-Pro oppure Leu oppure Ala- Hyp

(Hyp = idrossiprolina ossia prolina idrossilata)

Quando è presente la prolina come amminoacido centrale possono esserci solo 3 residui per

giro di elica quindi si forma un’elica che non rispetta i parametri dell’α-elica.

L’idrossilazione della prolina permette la formazione di legami idrogeno tra le tre eliche che

costituiscono la proteina che sono così saldate tra loro. Per l’idrossilazione della prolina serve

l’acido ascorbico (vitamina C) oltre che l’enzima prolil-idrossilasi.

Sono presenti degli interstizi nelle catene in cui precipita idrossiapatite nelle ossa.

ELASTINA

Simile al collageno ma con una struttura più elastica. Permette alle cellule di modificare la

propria morfologia. Sono molecole che si associano con legami covalenti intermolecolari

(crociati). Ad es. tra due residui amminoacidici questo tipo di legami permette movimenti dei

vari frammenti di elastina. Non è strettamente una proteina fibrosa.

ESEMPI DI PROTEINE GLOBULARI

Le proteine globulari hanno la possibilità di variare la dimensione a differenza ad es. del

collageno che ha una struttura fissa. Con le proteine globulari si possono avere varie “forme

finali”.

ACTINA

Varia la sua lunghezza in base alla fase di vita della cellula.

Altre proteine globulari formano il capside dei virus.

Due proteine globulari importantissime e molto ben caratterizzate sono la mioglobina e

l’emoglobina.

MIOGLOBINA

Il ruolo fisiologico della mioglobina è il trasporto di ossigeno all’interno dei muscoli. La

presenza di mioglobina, così come di emoglobina, è fondamentale in quanto l’ossigeno è poco

solubile nel sangue e quindi verrebbe trasportato in quantità molto ridotta e con scarsa

efficienza in assenza di tali traportatori.

La mioglobina è formata da 153 residui amminoacidici. Nei muscoli è comunque presente

anche emoglobina, ma la presenza di mioglobina è fondamentale data la richiesta più elevata

di O per una maggiore produzione di ATP. L’affinità della mioglobina per l’O è molto

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maggiore rispetto a quella dell’emoglobina: in questo modo la mioglobina rappresenta una

sorta di “trappola” per l’ossigeno. Essa sottrae l’ossigeno in circolo all’emoglobina e ne

assicura l’elevata presenza nei muscoli.

Struttura

È formata solo da α-eliche. È presente una struttura chiamata EME, responsabile del legame

con l’ossigeno. Per la sintesi del gruppo EME la molecola di partenza è la porfirina che è un

anello a 5 cicli con azoto. È una struttura aromatica. Gli anelli sono tenuti insieme da gruppi

–CH. Dalla porfirina si forma la protoporfirina IX che presenta sostituenti: 2 gruppi vinilici,

2+

4 metilici, 2 propionici che sono gli unici carichi. Con l’inserimento di Fe (ferroso) si forma

3+

l’EME. Se il Fe si trova come Fe