Le proteine sono (dopo l’acqua) le molecole biologiche più abbondanti nel corpo umano e in tutti gli organismi viventi; si trovano in tutte le cellule e costituiscono almeno il 50% del loro peso secco. Le proteine sono formate da lunghe sequenze di amminoacidi (l'unità costitutiva della proteina), che si uniscono l'uno all'altro attraverso particolari legami, detti peptidici, a formare delle lunghe catene (catene polipeptidiche). La precisa sequenza degli amminoacidi nelle catene determina la forma e la funzione della proteina. Le proteine possono essere formate da una catena unica, oppure da due o più catene strettamente associate tra loro, e spesso unite da legami trasversali. Ciascuna catena ha una struttura e una disposizione tridimensionale che rappresenta la sua forma specifica: come un "nastro" assume certe “pieghe” o conformazioni (ad elica, a globo, a foglietto ripiegato) e, combinandosi con altre catene, può generare strutture più elaborate.
Macromolecole costituite da una, o più, lunghe catene polipeptidiche (dette anche protidi). Le p. costituiscono la classe di molecole organiche più abbondanti in tutti gli organismi viventi; si trovano in tutte le cellule e costituiscono il 50% o più del loro peso secco.
Le p. sono essenziali per tutti i processi biologici legati alla vita, svolgendo un ruolo fondamentale per la struttura e la funzione cellulare, come nei processi di catalisi enzimatiche, di trasporto e deposito, di supporto meccanico, di protezione immunitaria, di generazione e trasmissione dell’impulso nervoso, di controllo della crescita e della differenziazione. I primi studi fondamentali sulla struttura delle p. risalgono agli anni 1950.
Le p. sono costituite da numerose molecole di α-amminoacidi (detti anche residui amminoacidici), legate fra loro mediante legami peptidici tra il gruppo carbossilico di una molecola e il gruppo amminico della successiva, costituendo nel loro insieme una catena polipeptidica (fig. 1). Il peso molecolare delle p. può variare da circa 5000-10.000 in quelle più piccole (40-80 amminoacidi) sino ad alcuni milioni per quelle più grandi e complesse. Tra tutti gli amminoacidi presenti in natura solo 20 sono i costituenti fondamentali delle p.; è importante notare che sono tutti esclusivamente L-isomeri. Ogni p. è caratterizzata da un punto isoelettrico (pI), cioè da un valore di pH al quale sono uguali il numero delle cariche negative (derivanti dalla dissociazione dei gruppi carbossilici) e il numero di quelle positive (derivanti dalla protonazione dei gruppi amminici) presenti nella molecola proteica; a tale valore di pH, la p.
I Quattro Livelli Strutturali delle Proteine
Le proteine presentano quattro livelli di organizzazione strutturale: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Ogni livello descrive un aspetto diverso della conformazione proteica.
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Struttura Primaria
La Struttura primaria è la sequenza di amminoacidi che compogono la proteina, uniti in una sorta di lunga catena dai legami peptidici. Quando due amminoacidi si uniscono tramite un legame peptidico, formano un dipeptide, tre amminoacidi uniti insieme formano un tripeptide e così via. L'intera catena di amminoacidi viene infatti definita anche come polipeptide. Le proteine umane sono composte da 20 diversi amminoacidi e considerando anche che un amminoacido può comparire più volte nella stessa catena polipeptidica, il numero delle combinazioni possibili è enorme: una sequenza di 100 amminoacidi in teoria può codificare miliardi e miliardi di proteine diverse. Quelle più comuni sono composte dai 50 ai 2000 residui.
Detta anche struttura covalente, è determinata dalla sequenza dei diversi amminoacidi costituenti la catena polipeptidica, senza alcun riferimento al suo arrangiamento spaziale; questa struttura riguarda l’insieme dei legami covalenti della molecola, sia il legame peptidico che unisce i singoli residui amminoacidici, sia gli eventuali legami disolfuro che possono stabilirsi tra residui di cisteina, anche distanti, all’interno della stessa catena polipeptidica. La composizione amminoacidica di una data p. viene determinata idrolizzando la p. in esame, in modo da rompere i singoli legami peptidici e ottenere una miscela contenente tutti gli amminoacidi liberi.
Più complessa è la determinazione della successione dei residui amminoacidici nella catena, anche se ormai esistono metodi sperimentali molto affidabili e precisi. Oggi sono note le sequenze primarie di numerose p.; questo ha permesso di evidenziare come p.
Struttura Secondaria
La Struttura secondaria si riferisce alla conformazione spaziale dei blocchi costruttivi delle catene. In FoldIt troviamo le alfa Eliche con forma a spirale e i Foglietti beta, strisce piatte. Le lunghezze e dimensioni di questi blocchi possono variare ma le loro forme essenziali sono sempre le stesse. Ogni proteina contiene come minimo una di queste strutture essenziali, più spesso ne contiene parecchie. Queste strutture secondarie servono principalmente per stabilizzare il nucleo della proteina ed esse stesse sono stabilizzate dai legami a idrogeno.
È determinata dalla disposizione strutturale, cioè dalle relazioni steriche, degli amminoacidi che si trovano vicini nella sequenza lineare e permettono alla p. di ripiegarsi a formare una struttura ripetitiva regolare. Sono state determinate due forme conformazionali più comuni: l’α-elica (elica destrogira) e la struttura β (a foglietto ripiegato). A grandi linee, l’α-elica è una struttura che si riscontra più frequentemente nelle p. globulari, mentre la struttura β a foglietto ripiegato è caratteristica delle p. fibrose.
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Entrambi i tipi di struttura sono generalmente presenti solo per alcuni tratti della molecola proteica e possono essere presenti contemporaneamente in punti diversi della stessa proteina. La possibilità di assumere una di queste conformazioni è dovuta alle piccole rotazioni che possono avvenire nei legami dei carboni α adiacenti al legame peptidico (fig. 2). Infatti, mentre quest’ultimo costituisce una struttura rigidamente piana, possedendo in parte le caratteristiche di un doppio legame, i legami singoli che uniscono il carbonio e l’azoto del gruppo peptidico agli atomi di carbonio α adiacenti ne permettono una certa libertà di rotazione. L’angolo di rotazione corrispondente al legame Cα-C viene definito angolo ψ mentre quello riguardante Cα-N, angolo ϕ. Il valore effettivo degli angoli ψ e ϕ che può esistere nelle p. è però limitato, perché la libertà di rotazione è impedita dalla presenza di altri atomi vicini.
Per quanto riguarda l’α-elica, essa si potrebbe formare sia con D-, sia con L-amminoacidi, ma non potrebbe sicuramente crearsi in una catena polipeptidica che contenesse una miscela di residui D- e L-. Inoltre, a partire dagli L-amminoacidi si possono formare spirali elicoidali sia destrogire sia levogire, ma l’elica destrogira è molto più stabile. Generalmente, i tratti ad α-elica non superano i 4 nm di lunghezza, tranne che per p. particolari come la miosina, la cui struttura è interamente ad α-elica.
Come per l’α-elica, la conformazione del foglietto ripiegato β cade nelle regioni permesse dal diagramma di Ramachandran e utilizza completamente la capacità dello scheletro polipeptidico di formare legami idrogeno, che si generano tra catene polipeptidiche vicine o tra i residui amminoacidici appartenenti a tratti differenti della stessa catena. Esistono due varietà di strutture β: il foglietto ripiegato β antiparallelo, in cui i legami idrogeno si formano tra tratti di catene o tra catene vicine che vanno in direzioni opposte; il foglietto ripiegato β parallelo, nel quale i tratti di catena o le due catene vanno nella stessa direzione (fig. 3).
Le conformazioni che consentono la formazione ottimale dei legami idrogeno necessari per la struttura β sono leggermente diverse da quelle completamente estese del polipeptide (cioè con angoli di 180°). I foglietti β sono unità strutturali comuni nelle p.; nelle p. globulari, i foglietti β che coinvolgono catene proteiche diverse sono costituiti da un minimo di 2 fino a un massimo di 15 catene polipeptidiche, con un valore medio intorno a 6, formando un aggregato dello spessore di circa 2,5 nm. Le catene polipeptidiche impegnate per la formazione di una struttura β coinvolgono fino a un massimo di 15 residui amminoacidici, anche se è più frequente che 6 amminoacidi siano coinvolti nel foglietto β (corrispondente cioè a una lunghezza media di 2,1 nm).
Le strutture secondarie regolari, le α-eliche e i β-foglietti, rappresentano solo la metà della struttura di una p. media. La rimanente parte dei segmenti della catena polipeptidica ha conformazioni a forma di «spirale» (coil) o di «ansa» (loop), sempre abbastanza ordinate, ma di difficile descrizione. Il «gomitolo casuale» (random coil) è un gruppo di conformazioni fluttuanti e totalmente disordinate assunte dalle p. denaturate e da altri polimeri in soluzione. Quasi tutte le p. con più di 60 amminoacidi contengono una o più anse, costituite da 6 a 16 residui che non fanno parte né di strutture α né β, e che occupano uno spazio inferiore ai 1 nm. Questa struttura è nota con il nome di ansa Ω (Ω loop); è molto compatta, in quanto le catene laterali dei residui che la compongono tendono a riempire la cavità interna.
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Sebbene non siano delle strutture secondarie "regolari", entrano in questa categoria anche le Congiunzioni; tipicamente sono le sezioni che connettono eliche e foglietti, ma non solo. Questi segmenti possono assumere molte forme e la loro lunghezza è variabile. Pur non condividendo una forma comune, queste strutture sono frequentemente implicate nelle funzioni proteiche; ottenere una loro conformazione corretta è molto importante, tanto quanto lo è per eliche e foglietti.
Struttura Terziaria
La Struttura terziaria (dal punto di vista termodinamico è la forma con la più bassa energia libera) è rappresentata dalla configurazione tridimensionale che la catena polipeptidica assume nell'ambiente in cui si trova. La struttura terziaria è stabilizzata tra gli altri da legami idrogeno e ponti disolfuro.
Riguarda la disposizione spaziale delle p. ed è il prodotto dell’interazione tra le catene laterali degli amminoacidi costituenti la p. che assume, così, una ben definita conformazione tridimensionale. La carica positiva o negativa posseduta dalle catene laterali permette l’attrazione o la repulsione fra loro. I legami tra le catene laterali possono essere sia legami idrogeno, sia i cosiddetti ponti salini, che si stabiliscono tra residui di acido aspartico, o glutammico, e lisina, o arginina. Un altro tipo di attrazione coinvolge i residui non polari come valina e fenilalanina; in questo caso, l’attrazione deriva dalla disposizione all’interno della p.
Nelle p. ricche di cisteina, la conformazione tridimensionale della catena polipeptidica è fortemente influenzata dai possibili ponti disolfuro (−S−S−) che si stabiliscono tra questi residui, a volte anche molto lontani tra loro; in questo caso, la catena si ripiega formando un’ansa chiusa dal ponte disolfuro stesso. La formazione di queste interazioni dipende esclusivamente dai residui amminoacidici presenti; quindi è la struttura primaria che determina la conformazione tridimensionale della p.; ovvero, l’informazione necessaria a specificare la complessa struttura spaziale della p. è contenuta nella sequenza dei suoi amminoacidi (fig. 4).
La struttura terziaria definisce l’attività di una p.; infatti, se una p.
Struttura Quaternaria
La Struttura quaternaria è quella che deriva dall'associazione di due o più unità polipeptidiche, unite tra loro da legami deboli (e a volte ponti disolfuro) in un modo molto specifico, come ad esempio avviene nella costituzione dell'emoglobina, la molecola responsabile del trasporto dell'ossigeno nell'organismo. In FoldIt non si ha a che fare con proteine multiple quindi questa struttura non è rilevante per il gioco.
Le p. che sono costituite da più di una catena polipeptidica possiedono un ulteriore livello di organizzazione strutturale, la struttura quaternaria, che si riferisce al modo in cui le catene si associano tramite interazioni non covalenti o legami covalenti trasversali. Ogni catena polipeptidica di queste p., dette oligomeriche o polimeriche a seconda del numero complessivo di catene che le compongono, costituisce una subunità.
La p. oligomerica più conosciuta, e una tra le più semplici, è l’emoglobina, costituita da 4 subunità, uguali 2 a 2, legate tra loro da legami idrogeno e da interazioni idrofobiche. Sebbene sia un tetramero, le 4 subunità sono così strettamente legate tra loro da far definire l’emoglobina come una molecola, anche se non esistono legami covalenti tra le 4 catene polipeptidiche. In altre p., per es. l’insulina o le immunoglobuline, si stabiliscono invece legami covalenti, come i ponti disolfuro, che uniscono subunità differenti. Non è detto che le varie subunità siano identiche tra loro, così come che siano della stessa lunghezza; inoltre, la simmetria della struttura quaternaria non è solo tetraedrica, ma può essere anche ciclica, cubica, diedrica, icosaedrica e anche più complessa (fig.
Classificazione delle Proteine
Le p. sono classificate tenendo conto fondamentalmente di quattro parametri: la composizione chimica, la forma delle molecole, la solubilità in acqua e la funzione biologica. La composizione chimica permette di distinguerle in p. semplici e p. coniugate e la forma delle molecole in p. globulari e p. fibrose.
La solubilità in acqua costituisce un criterio che, anche se non del tutto caduto in disuso, è attualmente considerato poco soddisfacente, dato che p. con struttura e funzioni diverse possono presentare simile solubilità e, al contrario, p. simili per funzione e struttura presentano solubilità molto diversa. Infine, la classificazione in base alle funzioni biologiche è quella più utilizzata e anche la più soddisfacente, anche se si deve ricordare che molte p. possono avere più di una sola funzione. Per es., la p. contrattile miosina può anche agire come una adenosintrifosfatasi (ATPasi), cioè come un enzima in grado di idrolizzare l’ATP.
Nonostante la funzione specifica di molte p. Gli enzimi rappresentano la classe più grande delle proteine. Alcuni enzimi, detti regolatori, sono in grado, attraverso la modulazione della loro attività catalitica, in risposta a vari tipi di segnali molecolari, di influenzare la velocità di un intero ciclo metabolico. Una simile funzione è svolta anche da varie p. che aiutano a regolare l’attività cellulare fisiologica, come, per es., gli ormoni.
Tra questi sono compresi, per es.: l’adrenalina, che media la trasmissione dell’impulso nervoso; la tiroxina, che accelera le ossidazioni intracellulari delle p., dei carboidrati e dei lipidi; l’insulina, che regola il metabolismo glicidico; l’ormone somatotropo, che regola la crescita dell’organismo; l’ormone paratiroideo, che influisce direttamente sul trasporto del Ca++ e del fosfato. Inoltre p.
Un’altra classe di p. ha la funzione di materiale di riserva, che serve da sostanza nutritiva e da materiale costruttivo per la crescita embrionale; ne sono un esempio l’albumina dell’uovo, la caseina del latte e la ferritina, che è una p. di deposito del ferro nella milza. Anche nei semi delle piante troviamo p.
Alcune p. hanno una funzione di trasporto; infatti esse sono in grado di legare e trasportare nel sangue ioni o molecole più complesse, permettendone il trasferimento da un organo a un altro. Per es., l’emoglobina degli eritrociti trasporta ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici, dove viene rilasciato e utilizzato dalle cellule per le ossidazioni di sostanze che producono energia. La mioglobina, presente nel tessuto muscolare, ha invece la funzione di legare l’O2 nei miociti. Negli invertebrati sono le emocianine, le clorocruorine e le emeritrine a svolgere la funzione di trasportatori di ossigeno. Il plasma sanguigno contiene lipoproteine che trasportano i lipidi fra intestino, fegato e tessuti adiposi, mentre gli acidi grassi liberi si legano all’albumina sierica che li veicola dal tessuto adiposo ai vari organi. Non meno importanti sono le p.
Esistono, poi, p. Un’ulteriore classe di p. comprende quelle che servono da elementi strutturali, ovvero come filamenti di supporto, cavi o lamine per dare ai sistemi biologici robustezza e protezione. Per es., il maggiore componente dei tendini e delle cartilagini è il collagene, p. fibrosa con un’elevatissima capacità elastica. Nelle cartilagini sono presenti in notevole quantità anche glicoproteine che conferiscono proprietà lubrificanti alle secrezioni mucose e al liquido sinoviale delle articolazioni dei Vertebrati.
I legamenti contengono elastina, una p. strutturale in grado di allungarsi in due dimensioni. Inoltre, i capelli, le unghie e le penne sono formati in gran parte di cheratina, p. Alcune p. hanno una funzione protettiva o difensiva, come le p. del sistema di coagulazione del sangue, trombina e fibrinogeno, che impediscono la perdita di sangue in caso di danni al sistema vascolare; la catalasi, la glutationeperossidasi e la superossidodismutasi, che proteggono le cellule dalla tossicità delle specie radicaliche dell’ossigeno (➔ radicale); la glutationetransferasi e la NADPH-citocromo-P450-reduttasi, coinvolte nella detossificazione degli xenobiotici, sostanze naturali o sintetiche normalmente estranee alla nutrizione e al metabolismo dell’organismo.
Tra le p. protettive più importanti bisogna ricordare le immunoglobuline, o anticorpi, prodotte dai linfociti; infatti, esse sono in grado di riconoscere e precipitare, o neutralizzare, batteri, virus, tossine o elementi estranei all’organismo. Anche le tossine batteriche, le p. tossiche delle piante, come la ricina, e i veleni dei serpenti possono essere considerati come p.
Isolamento, Purificazione e Caratterizzazione delle Proteine
I metodi più comunemente utilizzati per l’isolamento, la purificazione e la caratterizzazione delle p. Isolamento. Non esiste una procedura standard per l’isolamento delle p. da organi e tessuti, anche se la prima tappa del procedimento è di portarle in soluzione, rompendo la struttura del tessuto stesso. Le tecniche utilizzate per questo scopo dipendono dalle caratteristiche meccaniche del tessuto considerato e dalla localizzazione nella cellula della p. in esame. Se la p. si trova libera nel citoplasma, si ricorre alla lisi cellulare, ottenuta con mezzi chimici o meccanici; in alternativa, se la p. è un componente di una struttura subcellulare, come, per es., membrane e mitocondri, la lisi cellulare deve essere accompagnata da una centrifugazione differenziale, che permette l’isolamento e la purificazione parzial...
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