Proteine (struttura, sistema immunitario, enzimi)

Amminoacidi polari

Serina e treonina. È meno idrofilico della serina per il fatto che il metile, che fa parte della sua catena laterale, non può instaurare ponti idrogeno, quindi presenta solo un gruppo ossidrilico idrofilico. Ci sono poi degli amminoacidi che presentano nella loro struttura un atomo di zolfo. Uno di questi è la cisteina che ha un gruppo tiolico, che è polare e idrofilico, nella catena. Il gruppo tiolico si può ossidare formando un legame disolfuro con un’altra cisteina.

Amminoacidi con carica negativa

Ci sono degli amminoacidi che presentano una carica negativa: l’acido aspartico e l’acido glutammico. Hanno caratteristiche di polarità e di idrofilicità perché i loro gruppi carbossilici sono ben adeguati a fare dei ponti idrogeno. Le amidi di questi due acidi bicarbossilici ottenute tramite l’integrazione di un gruppo ammidico sono l’asparagina e la glutammina. Sono comunque idrofiliche anche se non conservano la carica netta negativa dei due acidi da cui derivano.

Amminoacidi con carica positiva

Istidina

È un amminoacido “intelligente”*. È presente in tante reazioni enzimatiche per la sua duttilità, ha un gruppo imidazolico con pKa intorno a 6.6. Se il pH si abbassa questo amminoacido protona il gruppo imidazolico, presentando così una carica positiva, ma non sempre, dipende dalle condizioni esterne. (Nell’emoglobina a pH 7.4 non è protonato, ma a scendere a pH 7.2 avviene la protonazione. A minime variazioni di pH compatibili con la vita questo amminoacido si protona adattandosi all’ambiente).

(*Un amminoacido “intelligente” è un amminoacido in grado di adattarsi all’ambiente in cui si trova, possiede una carica positiva o neutra a seconda delle condizioni esterne).

Lisina

È molto meno “intelligente”. Ha un gruppo ammidico finale solitamente carico positivamente a condizioni fisiologiche, ha una lunga catena.

Arginina

Ha gruppo guanidinico finale e ha la carica positiva molto forte. Si trova sia nelle proteine sia nelle vie metaboliche. In particolare, questo amminoacido interviene nel ciclo dell’urea che è la via metabolica che consente di eliminare l’azoto che viene rimosso dalle proteine. L’urea viene prodotta nel fegato ed eliminata tramite la via renale. L’arginina svolge un ruolo fondamentale nel trasferimento dell’azoto dagli amminoacidi all’urea. (Gli amminoacidi sono quindi sia entità metaboliche sia proteiche).

Amminoacidi con catene laterali difficilmente solvatabili

Il più semplice è la glicina (catena laterale composta da un solo idrogeno). È un amminoacido “tuttofare”, per esempio è utilissima nei punti di snodo delle catene polipeptidiche e non ingombra stericamente. (Il collagene che è una proteina strutturale è composto per il 30% da glicina).

Alanina. Ha un metile che non è solvatabile.

Valina, leucina (isoleucina è un suo isomero).

Metionina. Ha uno zolfo centrale nella catena che la rende molto idrofobica. Lo zolfo non può interagire con le altre proteine ma può essere ossidato a metionilsulfossido e questo è uno dei segnali dell’ossidazione delle proteine, è un segnale di invecchiamento. Una volta ossidata, quindi con l’introduzione dell’ossigeno, la catena diventa maggiormente idrofilica in quanto può generare ponti H.

Quando un amminoacido idrofobico si trova sulla superficie dell’acqua viene comunque solvatato, o meglio attorno all’amminoacido le molecole di acqua si organizzano in modo ordinato a formare una specie di film tutt’attorno, un guscio di solvatazione che non interagisce però direttamente con le catene idrofobiche. Questo è alla base dell’organizzazione delle proteine nell’acqua. Termodinamicamente è più favorevole un’interazione di una serina con l’acqua che tra un amminoacido idrofobico e il guscio di solvatazione.

Amminoacidi con strutture particolari

Prolina. È un amminoacido ciclizzato che deriva dall’acido glutammico. È molto rigido nella sua struttura. Compone il 20% degli amminoacidi del collagene. Può essere modificato con cambiamenti postrasduzionali, modificazioni chimiche che avvengono dopo che l’amminoacido è stato inserito nella proteina.

(La trasduzione può essere paragonata alla stele di Rosetta che ha permesso la traduzione del geroglifico attraverso il confronto con il greco. È sostanzialmente il trasferimento delle informazioni dalla sequenza di RNA messaggero a proteine con due “alfabeti” diversi, il primo basato sui nucleotidi e il secondo sugli amminoacidi). Esistono solo codoni che codificano precisi amminoacidi e non le loro isomerie, queste possono essere ottenute dopo che è avvenuta la trasduzione (appunto con i cambiamenti postrasduzionali) per migliorare la proteina a seconda delle situazioni (per esempio l’idrossilazione della prolina).

Amminoacidi aromatici

Gli amminoacidi idrofobici aromatici sono tre: fenilalanina, tirosina e triptofano. Gli anelli benzenici sono molto utili nelle strutture delle proteine. È più idrofobica la fenilalanina perché la tirosina ha un ossidrile che genera ponti H. La tirosina viene fosforilata (solitamente nelle fosforilazioni i fosfati vengono donati dall’ATP). Il triptofano è importante nelle proteine e nelle vie metaboliche perché è il precursore della 5-idrossitriptamina (serotonina), è un neuromediatore. L’anello del triptofano ha un azoto che può donare idrogeno e orienta l’anello. Tutti questi amminoacidi possono dare interazioni π (forze di Van der Waals molto efficaci).

Metillazione e epigenetica

Metillisina. Epigenetica (=variazione del fenotipo che avviene per modificazioni progressive del modo con cui noi trascriviamo i nostri geni. L’esempio più clamoroso è rappresentato dai gemelli monoovulari che possiedono sostanzialmente lo stesso patrimonio genetico, ma divergono nelle caratteristiche fisiche e in una serie di ambiti. Le modifiche sono tutte o sulla struttura del DNA o sulla struttura delle proteine che guidano e governano il metabolismo del DNA e sono tutte legate all’ambiente, azioni, attività). La metilazione è una modificazione chimica operata sulla lisina a cui viene aggiunto un metile con la conseguente perdita della carica. Questa è epigenetica perché nella struttura del DNA si hanno una serie di proteine che interagiscono con il DNA stesso (gli istoni). Uno dei meccanismi con cui si tiene insieme la cromatina è grazie alle cariche negative del fosfato dei nucleotidi (i legami fosfodiesterici tra le posizioni 5’3’ dei nucleotidi prevedono la presenza di un fosfato carico negativamente) e quindi il DNA è esternamente carico negativamente.

Gli istoni per stabilizzare la propria interazione propongono degli amminoacidi e uno degli amminoacidi più diffusi sulla superficie degli istoni sarà un amminoacido a carica positiva (le lisine con carica positiva). La trasduzione del messaggio dal DNA all’RNAm prevede lo svolgimento del DNA e lo scioglimento degli istoni. Quindi l’efficienza di trasduzione dei geni dipende dal fatto che sia più o meno facile rimuovere l’interazione DNA-proteina. Se la lisina viene metilizzata l’istone si stacca più facilmente perché diminuisce l’interazione lisina-DNA. Se si hanno condizioni ambientali che metilizzano di più la lisina alcuni geni vengono trascritti di più. Ci sono farmaci che intervengono in questo senso e fanno trascrivere di più alcuni geni rispetto ad altri.

Legami tra amminoacidi nelle proteine

I legami tra amminoacidi sono ammidi, sono la condensazione tra un gruppo carbossilico e un gruppo ammidico (quelli della struttura, non delle catene laterali). In natura il legame avviene durante la sintesi proteica nel ribosoma. Gli amminoacidi vengono portati qui dal tRNA. La condensazione tra il gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo ammidico dell’amminoacido successivo avviene senza la liberazione di una molecola d’acqua (come invece in laboratorio), il gruppo uscente è invece il tRNA in cui si è rotto il legame estere tra l’amminoacido e il tRNA stesso. Il terminale del tRNA ha in posizione 3’ un gruppo -OH. L’amminoacido viene trasportato mediante l’instaurarsi di un legame estere tra il gruppo -OH del tRNA e il gruppo carbossilico dell’amminoacido stesso.

Quando il legame estere si rompe il tRNA esce con il proprio gruppo -OH pronto per legarsi con un nuovo amminoacido corrispondente al suo codon. Il primo amminoacido di una sintesi proteica possiede il gruppo ammidico libero, mentre il gruppo carbossilico è legato al tRNA. Il secondo amminoacido si condensa con il primo perché il proprio N-terminale ha la possibilità di fare un potente attacco nucleofilo sul carbonio legato al primo tRNA (il gruppo del primo amminoacido è l’accettore degli elettroni da parte del gruppo ammidico dell’amminoacido che segue). Di conseguenza la proteina presenta il primo amminoacido con l’N-terminale libero e l’ultimo con il carbossi-terminale libero (in questo caso la condensazione libera una molecola d’acqua).

Il legame che si forma è un’ammide e ha caratteristiche di essere un ibrido tra un legame singolo e un legame doppio (quindi è più corto di un singolo legame ed è più lungo di un doppio legame). La distanza del legame ibrido è solitamente lungo 1.32Å. La forza del legame è dovuta a una certa tensione che si trova sul legame stesso perché l’ossigeno si carica negativamente e l’azoto tende a caricarsi positivamente.

Catena polipeptidica e angoli di rotazione

La catena polipeptidica è una catena che si raggomitola, che si riavvolge attorno ad angoli di rotazione che coinvolgono i legami tra il carbonio α e il carbonio carbonilico (legame ψ) e tra il carbonio α e l’azoto ammidico (legame φ). Il legame ammidico non ruota, ruotano gli altri legami potenzialmente con un angolo di 360° (180° sopra e -180° sotto al piano ideale del legame planare, anche se in realtà non formano proprio angoli di 180°→ plot da esame).

I due atomi di carbonio α si trovano così in posizione opposta rispetto al legame peptidico (uno sopra e l’altro sotto). I legami φ e ψ sono i responsabili della forma della proteina nello spazio. Ramachandran è un grafico che rappresenta gli angoli ψ e φ possibili in natura rappresentativi della maggior parte delle proteine, valuta quali sono gli angoli possibili tra le strutture proteiche ed è importante per la struttura secondaria.

Struttura secondaria

La struttura secondaria è la posizione nello spazio degli amminoacidi tra loro vicini. Per alcuni angoli φ e ψ si riconoscono delle strutture “canoniche” (identiche in proteine diverse tra loro) e le più importanti sono l’α-elica e il β-foglietto.

α-elica

Gli angoli φ e ψ sono attorno a 50°. Questo significa che la catena si sta chiudendo e quindi la catena diventa più compatta e chiusa a formare una struttura elicoidale (con angoli maggiori di 90° la catena si sarebbe aperta e distesa). Ogni angolo nell’elica è spostato in altezza rispetto a quello precedente di 1.5Å e forma con esso un angolo di 100° quindi per fare un giro completo sono necessari 3.6 residui. In definitiva la distanza tra l’amminoacido 1 e a 3.6 sarà di 5.4Å in altezza.

Le strutture secondarie sono stabilizzate da legami che non coinvolgono le catene laterali, ma lo scheletro della catena polipeptidica. Tra l’idrogeno dell’azoto ammidico e l’ossigeno del carbonio carbonilico si instaurano ponti H che stabilizzano la struttura essendo presenti in grande numero.

Struttura secondaria e stabilizzazione

La stabilizzazione della struttura secondaria viene da ponti idrogeno dello scheletro carbonilico. Le catene laterali non contano molto, perlomeno nella stabilizzazione della struttura, ma contano nella propensione ad acquisire una struttura piuttosto che un’altra. L’α-elica potrebbe essere considerata come un dipolo con una carica positiva nella porzione n-terminale e una carica negativa al c-terminale.

La prolina destabilizza la catena perché è un acido rigido, ma essendo già per se stessa un ammide perché è anello ciclizzato dell'acido glutammico, non può generare ponti idrogeno nell’α-elica. Se scriviamo un peptide come ad esempio: serina-serina-prolina. (Tra serina e prolina si forma il legame peptidico ser-pro, mentre tra le due serine si instaura un legame peptidico ser-ser)

Nel legame peptidico tra ser-ser abbiamo un idrogeno disponibile per formare ponti idrogeno nell’α-elica, mentre nella condensazione tra serina e prolina, non abbiamo l'idrogeno: quindi la prolina destabilizza perché ha un anello rigido che è incompatibile con i 100 gradi di progressione, ma anche perché non potrà generare nessun ponte idrogeno l'ossigeno carbonilico del C4. L'idrogeno non c'è perché è stato consumato dalla condensazione dell'anello. Quindi non può formare né l'α-elica, né altre strutture secondarie, perché come abbiamo già detto anche altre strutture secondarie sono stabilizzate da ponti idrogeno. (Nb. La prolina sarà presente in esame)

La stabilizzazione dell'α-elica non è dominata dalle catene laterali, ma esse contribuiscono alla sua stabilizzazione. Se ad esempio all'aminoacido 10, aggiungiamo un acido glutammico (in blu) e all’aminoacido 14 una lisina (in rosso), ci possiamo aspettare che le due cariche opposte si stabilizzino, non si compensano, interagiscono e tendenzialmente favoriscono l'α-elica. Ad esempio, se a 10 e a 14 ci fossero due glutammici al contrario tendono a respingersi. Le catene laterali quindi hanno un ruolo di propensione. Non è casuale la presenza di questi residui nelle proteine: se il gene vuole stabilizzarsi, infatti, si troveranno dei residui; se invece un gene vuole scoraggiare in qualche modo l'α-elica si avrà nella sequenza proteica proprio dei residui che ne impediscono la formazione.

Struttura β-sheet

Un altro tipo di struttura secondaria è la struttura β-sheet o β-strand. Gli angoli φ e Ψ sono intorno a 130°; quindi, con degli angoli così estesi abbiamo una struttura secondaria completamente diversa. Se pensiamo a una cosa così già estesa, pensiamo che sia poco elastica e che abbia una forza tensile molto forte.

L'appaiamento delle catene polipeptidiche consente, ad esempio, che l'ossigeno dell’amminoacido 10 faccia il ponte idrogeno con l'azoto ammidico dell'amminoacido 25 perché, in pratica, la proteina si estende, poi torna indietro e propone l'appaiamento progressivo. Il β-strand è stabilizzato da ponti idrogeno tra amminoacidi tra loro lontani nella sequenza. I ponti idrogeno sono sempre tra l'ossigeno del carbonio carbonilico e l'azoto ammidico: nel caso dell'α-elica 1+4, nel caso del β tra amminoacidi lontani nella sequenza.

Sia per l'α-elica che per la struttura β, le catene laterali danno la propensione ad acquisire l'una o l'altra struttura secondaria, ma non contribuiscono sostanzialmente alla stabilità termodinamica della struttura secondaria.

Turn e struttura secondaria

Il turn è il momento in cui la catena polipeptidica si riavvolge su se stessa. Ne esistono di vari tipi, a seconda degli aminoacidi che ne sono coinvolti. È importante ricordare che nel turn molto spesso, la prolina occupa il punto centrale con il suo anello all'esterno del turn. Questo amminoacido ha configurazione cis, mentre se fosse all'interno avrebbe configurazione trans. Questo vuol dire che sta sullo stesso piano della catena laterale che l’ha preceduta. Nel turn, la prolina ha un ruolo di diminuzione della geometria della struttura, è un elemento di svolta della catena polipeptidica.

La prolina nasce con configurazione decisa nella catena polipeptidica, poi si può disporre in cis o in trans a seconda delle convenienze della proteina. Esistono delle isomerasi che mantengono l'equilibrio facendo rimanere le prolina in trans. Quando le proline sono in cis nella fase del turn, l'isomerasi non riesce a ritrasformarla in trans, ma in ogni modo cercano di mantenere la struttura.

Struttura terziaria

(Ad esempio: la struttura terziaria dell'emoglobina è intorno ai 5nm.) Questa struttura è governata da:

• Legami covalenti, che sono gli architravi della struttura e sono legami più forti
• Legami disulfuro (legame covalente tra due cisteine) è un legame vincolante
• Salt bridge (ponte salino)
• Ponti idrogeno
• Interazioni elettrostatiche a lunga distanza
• Forze di Van der Waals (ad esempio negli aminoacidi aromatici)

Folding landscape

Alla struttura terziaria si arriva secondo uno schema che viene indicato come il folding landscape che significa “i territori che una proteina deve visitare” da quando parte nella sua forma più semplice di filo sintetizzato a livello del ribosoma, fino a quando viene rilasciata all'interno della cellula come una struttura organizzata.

(Nb. La catena polipeptidica nasce nel ribosoma come un filo, ma dal filo fino all'organizzazione che assume nella forma finale ce n’è di strada, perché un filo lineare che deve organizzarsi in tutte queste strutture che devono essere associate, ha bisogno di seguire un percorso).

L’organizzazione è sostanzialmente guidata da una spinta di tipo termodinamico. ΔG Bisogna passare da un valore positivo a un valore negativo: dobbiamo ridurre l'energia libera passando da filamento. Quando passiamo da uno stato all’altro, è necessario...