Le proteine sono molecole complesse essenziali per la vita, caratterizzate dalla loro capacità di adottare una conformazione tridimensionale stabile. Questa conformazione è determinata da diversi tipi di legami che si formano tra gli amminoacidi che compongono la proteina.
Formazione dei Legami Peptidici
La formazione di un legame peptidico prevede la condensazione di due amminoacidi (AA) con la conseguente produzione di una molecola d'acqua. Questo legame covalente, che è molto stabile, si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (-NH2) dell'amminoacido adiacente nella catena peptidica in crescita. L'intera catena di amminoacidi viene definita polipeptide.
Energia e Conformazione delle Proteine
Per quanto affermato dalle leggi della termodinamica, l'energia posseduta da una molecola è la somma di tre aliquote: energia cinetica, energia potenziale, energia termica. Questa energia può essere convertita da una forma all'altra e ogni molecola cerca uno stato energetico a cui compete il più alto grado di entropia. Se il passare da una conformazione stabile ad un'altra determina una riduzione dell'entropia della proteina, il cambiamento di conformazione è considerato improbabile o addirittura quasi impossibile. Quando, invece, una proteina adotta una conformazione con alta entropia, essa tende a restare in questa conformazione finché non si aggiunge nuova energia, ad esempio il calore. Questo è il motivo per cui l'ebollizione disattiva in modo permanente la maggior parte delle proteine. Un aumento di energia termica consente alle proteine di adottare qualsiasi possibile conformazione in maniera totalmente indipendente dalla stabilità.
Tipi di Legami che Stabilizzano la Struttura delle Proteine
L'evoluzione ha selezionato polipeptidi che preferiscono una conformazione funzionale; la chiave risiede nelle interazioni interatomiche, ovvero i legami non covalenti e covalenti che si formano tra amminoacidi, in modo particolare tra i gruppi R. Il numero e il tipo di legami formati dipendono dal tipo e dalla sequenza di amminoacidi di un determinato polipeptide.
Esistono cinque classi principali di legami che stabilizzano la struttura delle proteine:
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- Legami ionici: Si instaurano tra le estremità di un polipeptide e le catene laterali degli amminoacidi ionici.
- Interazioni idrofobiche: Avvengono nelle catene laterali degli amminoacidi non polari. Le molecole idrofobiche tendono ad allontanarsi dalle molecole idrofiliche come l'acqua.
- Forze di Van der Waals: Sono responsabili di interazioni attrattive tra le molecole. Sono forze che si esplicano tra atomi o molecole polarizzati, non totalmente ionizzati e quindi possono attrarsi o respingersi reciprocamente raggiungendo una distanza ottimale tra loro quando le forze attrattive e repulsive sono uguali.
- Legami a idrogeno: La catena principale si ripiega progressivamente in modo da formare il maggior numero di legami a idrogeno tra il gruppo carbonilico e il gruppo -NH- dei legami peptidici. In essa, ciascun gruppo ammidico è legato con legami a idrogeno al gruppo ammidico che lo segue al terzo posto in ciascuna direzione lungo la catena. Vi sono quindi 3,6 unità di amminoacido per ogni giro dell'elica.
- Legami disolfuro: Sono formati dalla catena laterale della cisteina che contiene un gruppo sulfidrilico.
Dei cinque tipi di legame, i primi quattro sono legami non covalenti, quindi la loro energia di legame è dalle 10 alle 20 volte più debole di quella del legame disolfuro, che invece è covalente.
Struttura delle Proteine
Le proteine presentano diversi livelli di organizzazione strutturale:
- Struttura primaria: È la sequenza di amminoacidi che compongono 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. 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.
- Struttura secondaria: Si riferisce alla conformazione spaziale dei blocchi costruttivi delle catene. Si distinguono 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. Di minor importanza quantitativa è la seconda delle due interazioni. Essa è conosciuta come struttura ß, o struttura a pieghe, o "struttura a foglietto ripiegato" delle proteine. Anche in questo caso la stabilità della struttura è dovuta ai numerosi legami a idrogeno che si instaurano tra il gruppo carbonilico e il gruppo -NH- dei legami peptidici dei due diversi tratti di catena.
- Congiunzioni: 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: Dal punto di vista termodinamico è la forma con la più bassa energia libera ed 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.
- 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.
Denaturazione delle Proteine
Le proteine perdono la loro struttura primaria tramite una demolizione graduale per idrolisi catalizzata da enzimi proteolitici (pepsina, tripsina). I prodotti sono prima peptidi e infine amminoacidi.
Se le variazioni non sono drastiche, le proteine riacquistano le loro relative strutture native quando al ripristino delle condizioni iniziali.
In realtà gli amminoacidi non si susseguono in maniera lineare ma, in uno spazio tridimensionale, si dispongono secondo un andamento a fisarmonica (struttura betafoglietto) o secondo spirali (alfaelica).
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