Le proteine sono macromolecole composte da catene polimeriche, dove i monomeri sono amminoacidi. Ogni amminoacido è composto da un carbonio centrale (chirale) a cui si attaccano quattro gruppi: una catena laterale caratteristica, un gruppo amminico (NH2), uno carbossilico (-COOH) e un idrogeno (-H).
Amminoacidi: I Mattoni delle Proteine
Nell'articolo dedicato alle proteine hai già avuto modo di incontrare gli amminoacidi, molecole biologiche di importanza vitale. Gli amminoacidi rappresentano il monomero, ovvero l'unità di base, su cui si sviluppano tutte le strutture proteiche. Pertanto, conoscere gli amminoacidi diventa fondamentale per comprendere i diversi livelli strutturali delle proteine.
Gli amminoacidi sono composti organici costituiti da un atomo di carbonio centrale, o carbonio α (carbonio alfa), da un gruppo amminico, da un gruppo carbossilico, da un atomo di idrogeno e da un gruppo laterale R, unico per ogni amminoacido.
Gli amminoacidi si legano tramite legami peptidici durante una reazione chimica chiamata condensazione, formando catene peptidiche. Dunque, quando più amminoacidi sono uniti insieme, si forma una lunga catena chiamata per l'appunto catena polipeptidica (o polipeptide).
Nella cellula, le proteine sono ricavate dal meccanismo della traduzione o sintesi proteica. A livello dei ribosomi arrivano le molecole di RNA messaggero con le triplette di basi che vengono “lette”. Per ciascuna il ribosoma richiama tramite i tRNA la sequenza complementare e l’amminoacido corrispondente. Ogni proteina inizia con la metionina corrispondente alla sequenza di inizio di lettura o codone di inizio (nel DNA è AUG). Questa poi viene rimossa una volta che la catena amminoacidica risulta completa e non fa quindi parte della struttura finale del peptide.
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Gli amminoacidi esistenti in natura sono in tutto 20 e si dividono in essenziali e non essenziali. Mentre i primi devono essere per forza assunti con la dieta perché il corpo non è in grado di sintetizzarli (in tutto sono otto). Per la precisione si tratta di lisina, leucina, valina, isoleucina, fenilalanina, treonina, metionina e triptofano. Gli altri invece possono essere prodotti dall’organismo attraverso le vie del metabolismo.
Struttura Primaria delle Proteine
La struttura primaria delle proteine è rappresentata dalla sequenza di aminoacidi in una catena polipeptidica. Questa sequenza è determinata da geni specifici situati nel DNA. Questa sequenza è essenziale perché influenza sia la forma (struttura) che la funzione delle proteine. Se un solo amminoacido della sequenza viene modificato, la conformazione strutturale della proteina cambia.
Inoltre, se ricordi bene (fisiologia), la struttura delle molecole biologiche influisce sulle loro funzioni, e lo stesso vale per le proteine, in cui cambiamenti strutturali deteriminano cambiamenti nelle funzioni.
La struttura primaria è fondamentale perché la sequenza dei suoi amminoacidi determina le sue funzioni biologiche. Il legame che li unisce si forma tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di quello adiacente. Nella sequenza si alternano a livello centrale due atomi di carbonio con uno di azoto.
La formazione di un legame peptidico prevede la condensazione di due AA con produzione di una molecola d'acqua e formazione di un legame amminico. Questo legame covalente (molto stabile) si forma tra il gruppo carbossilico (-COOH) di un AA ed il gruppo amminico (-NH2) dell'AA adiacente nella catena peptidica in crescita.
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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 delle Proteine
La struttura secondaria delle proteine è costituita da una catena polipeptidica dotata di struttura primaria che si "attorciglia" e si "ripiega" nello spazio in diversi modi. Il grado di ripiegamento è infatti specifico per ogni proteina. La catena, o parti della catena, forma così due possibili conformazioni strutturali:
- α-elica
- foglietto β-ripiegato
Le proteine possono avere quindi una conformazione ad alfa-elica, a foglio beta-ripiegato o un mix di entrambe. Queste pieghe nella catena si verificano quando si formano legami idrogeno tra gli amminoacidi. Questi legami garantiscono la stabilità. Si formano tra un atomo di idrogeno (H) carico positivamente del gruppo amminico -NH2 di un amminoacido e un ossigeno (O) carico negativamente del gruppo carbossilico (-COOH) di un altro amminoacido.
Se ricordi bene dall'articolo sulle molecole biologiche, i legami idrogeno sono deboli di per sé, ma forniscono forza alle molecole quando sono in grandi quantità. Tuttavia, si rompono facilmente.
Anziché restare allineati gli amminoacidi interagiscono formando dei legami idrogeno che possono dare origine a due “forme diverse”. Vale a dire la struttura alfa-elica e quella a beta-foglietto ripiegato. La prima come dice il nome stesso sistema le unità amminoacidiche secondo uno schema elicoidale (elica singola, non doppia come il DNA). I legami si formano fra amminoacidi vicini nella struttura lineare. La seconda invece unisce due tratti della catena degli amminoacidi e invece ricorda più una disposizione a fisarmonica.
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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.
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 delle Proteine
Come descritto in precedenza, la struttura secondaria delle proteine è caratterizzata da attorcigliamenti e ripiegamenti della della catena polipeptidica o parti di essa. Se la catena si attorciglia e si ripiega ulteriormente, l'intera molecola assume una specifica forma globulare. Immagina di prendere la struttura secondaria ripiegata e di torcerla ulteriormente in modo che inizi a ripiegarsi in una palla. Questa può essere una rappresentazione della struttura terziaria della proteina.
La struttura terziaria è la struttura tridimensionale complessiva delle proteine. Rappresenta per tanto un altro livello di complessità. Si può dire che la struttura delle proteine è "salita di livello" in complessità. Nella struttura terziaria (e in quella quaternaria, come vedrai più avanti), alle catene può essere collegato un gruppo non proteico (gruppo prostetico) chiamato gruppo ematico o eme.
Durante la formazione della struttura terziaria, tra gli amminoacidi si formano legami diversi da quelli peptidici. Questi legami determinano la conformazione strutturale e la stabilità della struttura terziaria della proteina.
- Legami a idrogeno: Questi legami si formano tra gli atomi di ossigeno o azoto e idrogeno nei gruppi R di diversi amminoacidi. Non sono forti, anche se sono numerosi.
- Legami ionici: I legami ionici si formano tra i gruppi carbossilici e amminici di diversi amminoacidi e solo quei gruppi che non formano già legami peptidici. Inoltre, gli amminoacidi devono essere vicini tra loro perché si formino legami ionici. Come i legami idrogeno, questi legami non sono forti e si rompono facilmente, di solito a causa della variazione del pH.
- Ponti disolfuro: Questi legami si formano tra gli amminoacidi che hanno lo zolfo nei loro gruppi R. L'amminoacido in questo caso si chiama cisteina. La cisteina è una delle fonti importanti di zolfo nel metabolismo umano. I ponti disolfuro sono molto più forti dei legami idrogeno e ionici.
Le macromolecole proteiche che si organizzano in una struttura terziaria acquistano un aspetto tridimensionale a seguito di ulteriori torsioni della catena. Quando le catene laterali degli amminoacidi interagiscono fra loro possono formare non solo legami idrogeno ma anche ponti disolfuro. Questi si chiamano anche legami S-S (il simbolo chimico dello zolfo) e derivano dai gruppi tiolici.
Alla struttura terziaria delle proteine contribuiscono anche altre interazioni, come le forze di Van der Waals e i legami ionici. Questi nascono fra i gruppi NH3+ e i COO- degli amminoacidi della catena. Il ripiegamento del polipeptide a formare la struttura terziaria viene chiamato protein folding.
Dal punto di vista termodinamico è la forma con la più bassa energia libera. La struttura terziaria è stabilizzata tra gli altri da legami idrogeno e ponti disolfuro.
Le proteine natively folded sono strutture compatte nelle quali i residui aminoacidici sono praticamente in contatto tra loro e le cavita' hanno prevalentemente dimensioni subatomiche; le cavita' di dimensioni atomiche o superatomiche sono rare.
Il ripiegamento di segmenti di struttura secondaria (ad es. alfa eliche) su se stessi comporta che i contatti tra residui aminoacidici nell'hydrophobic core possano verificarsi non solo tra residui che nella sequenza aminoacidica sono vicini o adiacenti, ma anche tra residui che nella sequenza sono molto lontani.
Le proteine anche piu' compatte hanno moti vibrazionali interni a livello di singoli residui aminoacidici o di interi segmenti di struttura secondaria. Questi movimenti hanno grande importanza per la funzione proteica e dipendono dalla temperatura; pero' possono portare alla denaturazione della proteina stessa.
La struttura che la proteina assume all'interno della cellula e che e' capace di svolgere la funzione biologica si chiama nativa. In linea di massima la struttura nativa e' un minimo energetico e la proteina la raggiunge da sola, gia' durante la biosintesi.
Se le variazioni non sono drastiche, le proteine riacquistano le loro relative strutture native quando al ripristino delle condizioni iniziali. Le proteine, invece 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.
Struttura Quaternaria delle Proteine
La struttura proteica quaternaria si riferisce a una struttura ancora più complessa, costituita da più di una catena polipeptidica. Ogni catena è contraddistinta da proprie strutture primarie, secondarie e terziarie e viene definita come subunità della struttura quaternaria. Anche qui sono presenti legami a idrogeno, ionici e disolfuro che tengono insieme le catene.
Un livello ulteriore e più complesso di organizzazione lo offre la struttura quaternaria che si forma per l’unione di più molecole proteiche fra di loro. Ognuna di queste è organizzata in una forma tridimensionale e viene detta subunità. Le interazioni fra le subunità sono deboli e questa organizzazione è facilmente denaturabile.
Le proteine possono associarsi fra loro e formare oligomeri composti da piu' catene polipeptidiche (struttura quaternaria); un esempio e' dato dall'emoglobina. Un oligomero proteico che presenti interfacce eterologhe puo' formare in genere strutture aperte di dimensione illimitata (ad es. i microtubuli della tubulina), le cui estremita' sono diverse; uno che presenti interfacce isologhe e' in genere di dimensioni limitate (un dimero o al massimo un insieme di dimeri) e simmetriche.
Una struttura particolarmente interessante e' quella delle proteine le cui subunita' si dispongono in modo da formare anelli; questi possono presentare sia interfacce eterologhe che interfacce isologhe.
In FoldIt non si ha a che fare con proteine multiple quindi questa struttura non è rilevante per il gioco.
Struttura dell'Emoglobina
L'emoglobina costituisce una delle proteine essenziali del nostro corpo. L'emoglobina è una proteina globulare che trasferisce l'ossigeno dai polmoni alle cellule, e conferendo al sangue il tipico colore rosso. La sua struttura quaternaria è costituita da quattro catene polipeptidiche collegate tra loro con i legami chimici citati in precedenza. Le catene sono chiamate subunità alfa e beta. Le catene alfa sono identiche tra loro, così come le catene beta (ma sono diverse da quelle alfa). A queste quattro catene è collegato il gruppo ematico che contiene lo ione ferro a cui si lega l'ossigeno.
Tra le proteine con una struttura quaternaria si può citare l’emoglobina. Si compone infatti di quattro subunità, ciascuna delle quali presenta un gruppo eme contenente un atomo di ferro nella sua forma ossidata Fe2+. Grazie alla presenza di questo ione l’emoglobina è in grado di legare l’ossigeno presente nel sangue.
Non bisogna confondere le unità alfa e beta con l'alfa-elica e i fogli beta della struttura secondaria. Le unità alfa e beta sono la struttura terziaria, ovvero la struttura secondaria ripiegata in forma tridimensionale. Ciò significa che le unità alfa e beta contengono parti di catene ripiegate a forma di alfa-elica e fogli beta.
Tabella Riassuntiva delle Strutture Proteiche
| Struttura | Descrizione | Legami Chiave |
|---|---|---|
| Primaria | Sequenza di amminoacidi | Legami peptidici |
| Secondaria | Ripiegamenti locali (alfa-elica, foglietto beta) | Legami idrogeno |
| Terziaria | Struttura tridimensionale complessiva | Legami idrogeno, ionici, ponti disolfuro, interazioni di Van der Waals |
| Quaternaria | Assemblaggio di più subunità polipeptidiche | Legami deboli (idrogeno, ionici), ponti disolfuro |
Modificazioni Post-Traduzionali
Molte proteine, soprattutto nelle cellule eucariotiche, subiscono modificazioni successive alla loro biosintesi. Queste possono essere reversibili o irreversibili e modificano l'attivita' biologica della proteina stessa; spesso la proteina neo-sintetizzata e' priva di attitvita' e la acquisisce solo in seguito alla modificazione post-traduzionale.
- Taglio proteolitico limitato: la proteina neosintetizzata ha una catena polipeptidica piu' lunga della proteina attiva e la modificazione post-traduzionale consiste nell'idrolisi e rimozione di un frammento all'estremita' C- o N-terminale da parte di una proteasi specifica. Esempi sono: le proteine della coagulazione, il complemento, le proteasi digestive del pancreas, etc.
- Modificazioni selettive di singoli aminoacidi: ad es.
- Acetilazione-deacetilazione di residui di Lys, ad es.
- Formazione di ponti disolfuro tra residui di Cys (reversibili per riduzione; ad es.
Relazione tra Struttura e Funzione
Quando ti interroghi sull'importanza della struttura delle proteine, ricordia che la struttura tridimensionale influisce sulla funzione delle proteine. Essa conferisce a ogni proteina un "contorno" specifico, importante perché le proteine devono riconoscere ed essere riconosciute da altre molecole per interagire.
Ricordi le proteine fibrose, globulari e di membrana? Le proteine trasportatrici, un tipo di proteine di membrana, di solito trasportano un solo tipo di molecola, che si lega al loro "sito di legame". Ad esempio, il trasportatore di glucosio 1 (GLUT1) trasporta il glucosio attraverso la membrana plasmatica (la membrana della superficie cellulare). Se la sua struttura nativa dovesse cambiare, la sua efficacia nel legare il glucosio diminuirebbe o si perderebbe del tutto.
Anche se la struttura tridimensionale determina effettivamente la funzione delle proteine, la struttura tridimensionale stessa è determinata dalla sequenza degli amminoacidi (la struttura primaria delle proteine). Ci si potrebbe chiedere: perché una struttura apparentemente semplice gioca un ruolo così vitale nella forma e nella funzione di alcune proteine piuttosto complesse? Come descritto, l'intera struttura e funzione della proteina cambierebbe se un solo amminoacido venisse omesso o scambiato con un altro nella struttura primaria. Questo perché tutte le proteine sono "codificate", cioè funzionano correttamente solo se i loro costituenti (o unità) sono tutti presenti e tutti adatti o se il loro "codice" è corretto. La struttura tridimensionale è, dopo tutto, costituita da molti aminoacidi uniti insieme.
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