Il termine "proteine" è ormai diffuso ovunque ed ovunque si sente parlare di integratori proteici, polveri proteiche, barrette proteiche, bevande proteiche etc. Le proteine sono le molecole organiche più abbondanti dell'organismo e svolgono molteplici funzioni. Riuscire a inquadrare migliaia di proteine in un sistema di classificazione che rispecchi in modo soddisfacente differenze e analogie è quasi impossibile.
Classificazione delle Proteine
Le proteine vengono divise in semplici e coniugate: le prime danno, per idrolisi completa, soltanto amminoacidi, le seconde, oltre agli amminoacidi, danno anche un componente diverso, detto gruppo prostetico.
Proteine Semplici
Esistono due classi di protidi semplici: fibrosi e globulari. Dal punto di vista della loro conformazione, possono essere distinte in proteine fibrose e proteine globulari.
Protamine e Istoni
Sono considerate proteine semplici anche gli istoni e le protammine, proteine solubili in acqua e dotate di carattere fortemente basico dovuto al loro elevato contenuto in amminoacidi basici.
Le protamine sono protidi piuttosto semplici, in quanto, per scissione danno origine soltanto a pochi tipi di aminoacidi: arginina in prevalenza e lisina. Solubili in acqua, di carattere fortemente basico, le protamine si trovano in natura solo nel regno animale, combinate con gli acidi nucleici a costituire nucleoprotidi (soprattutto nei tessuti con funzione riproduttiva, ad esempio negli spermatozoi di molti pesci). Come le protamine, gli istoni non si trovano liberi in natura, ma combinati con altre sostanze per formare protidi.
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Albumine
Le albumine sono le proteine più note e più facilmente accessibili; essendo molto diffuse, hanno dato il nome all'intera classe delle sostanze proteiche (sostanze albumoidi). Nel regno animale sono molto diffuse e per lo più associate alle globuline, quali costituenti delle cellule e delle secrezioni cellulari. Alcune loro proprietà caratteristiche sono: la solubilità in acqua, la coagulabilità col calore e la possibilità di dar luogo per scissione a tutti gli aminoacidi (sono quindi proteine complete e di buon valore biologico).
Le principali albumine animali sono: le ovoalbumine (o albumina dell'uovo) e la sieroalbumina (o albumina del latte). Si trovano anche in molti vegetali, sebbene le loro proprietà non siano perfettamente note. Una caratteristica delle albumine animali è di avere un alto contenuto di zolfo, ed una notevole percentuale di aminoacidi cistina e metionina, mentre quelle vegetali ne contengono quantitativi modesti.
Globuline
Le globuline sono le proteine più diffuse, sia nel regno animale che in quello vegetale. Assomigliano molto, dal punto di vista della costituzione molecolare, alle albumine, ma differiscono per grandezza. Inoltre, mentre le albumine si sciolgono in acqua, le globuline sono apolari; sono invece solubili in soluzioni saline diluite (NaCl) neutre.
Le più comuni sono: le globuline del sangue (α β, γ), la lattoglobulina (latte), la ovoglobulina (uova), la miosina e la mioglobina (muscolo). Le globuline vegetali si trovano in modo particolare nei semi di molte piante, specialmente in quelli oleosi delle leguminose; molto ricche di globuline sono le proteine dei semi di soia e di arachide, ove formano la quasi totalità delle sostanze proteiche.
Gluteline e Prolamine
Le Gluteline e le prolamine (o gliadine) rappresentano due gruppi di proteine esclusivamente vegetali, tipicamente associati. Le gluteline presentano un discreto equilibrio amminoacidico e sono molto ricche di acido glutammico, comunque presente in concentrazioni inferiori rispetto alle prolamine. Sono insolubili in acqua, in soluzioni saline ed in alcool; coagulano al calore e risultano solubili in acidi e basi diluiti. La glutelina del frumento, detta glutenina, forma un complesso proteico con la gliadina che costituisce il glutine, essenziale per la panificazione e in parte per la plastificazione degli sfarinati.
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Le prolamine contengono, in notevole quantità, l'aminoacido prolina, dal quale deriva il nome. Appartengono solo al regno vegetale, costituiscono infatti, insieme con le gluteline, la parte protidica più importante di molti cereali, dai quali vengono facilmente estratte. Le gliadine più note sono: la gliadina del frumento, che ha dato il nome a tutta la classe: l'ordeina dell'orzo; la zeina del mais. Sono insolubili in acqua e solubili in alcol al 60-80%.
Le prolamine sono ricche di acido glutammico, che rappresenta il 20-30% degli amminoacidi dei semi dei cereali; abbondano anche prolina e leucina, mentre scarseggiano gli amminoacidi solforati, la lisina (che non a caso è il tipico amminoacio limitante dei cereali) e il triptofano (carente nel mais). Queste carenze amminoacidiche sono responsabili della bassa efficienza proteica dei cereali.
Fosfoprotidi
I fosfoprotidi sono proteine particolarmente ricche di acido fosforico, quindi ricche di fosforo sotto forma di acido orto-fosforico, legato ad esterificare il gruppo alcolico di amminoacidi (come la serina). Hanno proprietà acide dovute agli idrogeni dell'acido fosforico che non partecipa all'esterificazione. Le fosfoproteine non vanno considerate come proteine coniugate, né devono essere confuse con le nucleoproteine, capaci di dare per idrolisi acido fosforico.
I fosfoprotidi sono presenti prevalentemente nelle proteine di origine animale, dove esistono due importanti rappresentanti: le caseine del latte e la vitellina del tuorlo d'uovo (la vitellina è una delle sostanze fondamentali del tuorlo ed è una proteina particolarmente ricca di fosforo). Si ricorda anche la ittulina delle uova di pesce. I principali costituenti di queste proteine sono l'acido gluttamico (15-20%), la serina (che abbonda principalmente nelle proteine dell'uovo), la prolina (5-10%) e la lisina (5-7%).
Scleroprotidi
Gli scleroprotidi (o scleroproteine) sono anche chiamati albuminoidi o proteinoidi e appartengono elusivamente al regno animale. A differenza delle proteine citate in precedenza, non fanno parte del protoplasma. Sono sostanze dotate di notevole resistenza chimica, insolubili in acqua e nei comuni solventi, che si sciolgono solo negli acidi e resistono perfino alla maggior parte degli enzimi proteolitici.
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In virtù della loro eccezionale resistenza chimica, assolvono a funzioni meccaniche di rivestimento, protezione e sostegno, mentre hanno scarso valore nutrizionale. I più importanti scleroprotidi negli organismi animali sono: il collagene (costituente fondamentale del tessuto connettivo, cartilagineo ed osseo), l'elastina (costituente base delle fibre elastiche dei tendini e delle pareti vasali) e le cheratine (costituenti delle unghie, dei peli e dei capelli, ma anche di squame, corna e penne).
Gli scleropeptidi sono composti da pochi amminoacidi: nella cheratina abbonda la cistina (quindi lo zolfo), mentre il collagene è ricco di glicina (25%), prolina ed idrossiprolina, e carente di solforati, triptofano e tirosina. Nell'elastina abbondano glicina e leucina, mentre è scarsa la cistina. La cheratina non è attaccabile dai succhi gastrici, quindi la digeribilità e l'assorbimento intestinale sono molto bassi; ne deriva una scarsa importanza alimentare.
Proteine Coniugate
Dopo una breve panoramica degli otto gruppi che suddividono le proteine semplici, è doveroso parlare, seppur brevemente, della seconda classe di protidi, vale a dire le proteine coniugate. Esse sono costituite da un protide semplice unito chimicamente ad un gruppo non proteico chiamato prostetico. I gruppi prostetici sono sostanze organiche naturali che agiscono come cofattori (aiutanti) enzimatici. La parte proteica semplice è di solito una proteine del gruppo degli istoni o delle protamine.
Proteine Fibrose e Globulari
Per comprendere la differenza nelle strutture delle proteine fibrose e globulari, ha senso dare un ripasso alle caratteristiche generali della struttura delle proteine. Queste molecole sono formate da una lunga catena di amminoacidi, legati tra loro in sequenza mediante legami peptidici. La semplice catena lineare di amminoacidi si definisce struttura primaria. In base alla caratteristiche chimico-fisiche degli amminoacidi che la costituiscono, la catena si organizza poi in una struttura secondaria tridimensionale che è il risultato, in parte, delle forze di attrazione e repulsione ma soprattutto dell'angolazione con cui i legami chimici tra gli amminoacidi adiacenti si dispongono.
Nelle proteine umane le possibili strutture secondarie sono 3: ad alpha-elica, a foglietto ripiegato o a ripiegamenti e anse. Quando la struttura secondaria si avvolge ancora su se stessa, portando amminoacidi che nella sequenza primaria sono molto lontani a trovarsi vicini ed interagire tra loro, si definisce una struttura terziaria della proteina.
Dal punto di vista strutturale, le proteine fibrose sono formate da catene assiali, lunghe e uniformi, dotate di struttura primaria e secondaria. La struttura secondaria è la medesima lungo tutta la catena ed è di tipo ad alpha-elica o, raramente, foglietto ripiegato. La maggior parte degli amminoacidi che forma la catena di queste proteine hanno i radicali sporgenti di tipo idrofobico, cosicché la proteina assume caratteristiche di insolubilità all'acqua. Sono resistenti e/o elastiche e hanno funzione strutturale, formando componenti anatomiche di sostegno oppure di protezione.
Le proteine globulari invece sono formate da catene ripiegate, in cui si evidenzia una struttura terziaria e talvolta anche quaternaria. Talvolta, tra i vari tratti elicoidali si intramezzano porzioni di catena che si presentano unicamente nella loro struttura primaria lineare.
Le proteine fibrose sono quelle che definiscono gli elementi strutturali principali dell'organismo e rappresentano un terzo della componente in peso delle proteine dell'organismo. Proteine fibrose sono ad esempio quelle che compongono per la maggior parte la pelle, i capelli, le unghie, le corna. Una delle proteine fibrose più diffuse del corpo è costituita dal collagene, che forma la parte fibrosa dei tessuti connettivi. La struttura primaria e secondaria di questa proteina è costituita da un lungo filamento spiralizzato a formare un'elica; tre filamenti elicoidali si avvolgono insieme per formare una struttura spessa, molto resistente ma per nulla elastica. Simile al collagene è l'elastina che, a differenza dell'altra molecola, è caratterizzata da grande elasticità ed è la componente strutturale dei tendini.
Tra le proteine globulari, mioglobina ed emoglobina sono tra le più caratteristiche. Le catene della mioglobina presentano 8 alpha-eliche inframezzate da porzioni prive di struttura secondaria, e ripiegate in modo da assumere una struttura terziaria di tipo globulare. Associata alla catena amminoacidica c'è un gruppo chimico non peptidico, detto gruppo eme, incluso nella struttura terziaria della catena. Il gruppo eme è caratterizzato da un anello di quattro gruppi pirrolici al cui centro è situato un atomo di ferro a valenza +2.
La valenza del ferro nel gruppo eme è fondamentale per la sua funzionalità ed è mantenuta tale da una bolla idrofobica che lo avvolge impedendogli di ossidarsi. La mioglobina è presente nei muscoli scheletrici e rappresenta una riserva di ossigeno, che si lega al ferro del gruppo eme. Se il ferro avesse valenza +3, l'ossigeno non potrebbe legarsi. L'affinità del gruppo eme con l'ossigeno varia in funzione della concentrazione di questo elemento nell'ambiente muscolare. A riposo, la concentrazione è più elevata e le molecole di mioglobina si legano alle molecole di O2 divenendone una riserva.
Solubilità delle Proteine
La solubilità delle proteine è un parametro fondamentale che influisce sulla loro funzionalità e stabilità. Essa si riferisce alla capacità di una proteina di dissolversi in un solvente, tipicamente un tampone acquoso, e rappresenta un aspetto cruciale in vari campi, dalla biotecnologia alla farmacologia. La quantificazione della solubilità non solo aiuta a comprendere le proprietà fisico-chimiche delle proteine, ma è anche essenziale per ottimizzare le condizioni di purificazione e formulazione dei farmaci.
Definizione e Importanza
La solubilità delle proteine è definita come la quantità di proteina che può essere disciolta in un dato volume di solvente a una temperatura e pH specifici. Questo parametro è influenzato da diversi fattori, tra cui la struttura tridimensionale della proteina, la presenza di gruppi funzionali e le interazioni con altre molecole. In ambito industriale, la solubilità delle proteine è un fattore determinante nella produzione di alimenti, integratori e farmaci. Ad esempio, le proteine solubili sono più facilmente assorbite dall’organismo, rendendole ideali per formulazioni nutrizionali.
La misurazione della solubilità è anche fondamentale nella ricerca di base, poiché consente di studiare le interazioni tra proteine e altre molecole, come lipidi e carboidrati. Infine, la solubilità delle proteine è un indicatore della loro qualità. Proteine con una bassa solubilità possono essere associate a difetti strutturali o a condizioni di produzione inadeguate.
Metodologie di Misurazione
Esistono diverse metodologie per quantificare la solubilità delle proteine, ciascuna con vantaggi e svantaggi. Una delle tecniche più comuni è la misura della concentrazione di proteina in soluzione mediante spettrofotometria. Questa tecnica si basa sull’assorbimento della luce a una lunghezza d’onda specifica, che è correlata alla concentrazione di proteina nel campione. Un’altra metodologia frequentemente utilizzata è la dialisi, che consente di separare le proteine solubili da quelle insolubili.
In questo processo, le proteine vengono immerse in una membrana semipermeabile, permettendo il passaggio delle molecole di piccole dimensioni, mentre le proteine più grandi rimangono intrappolate. La cromatografia è un’altra tecnica utile per la quantificazione della solubilità. Essa consente di separare le proteine in base alla loro dimensione, carica o affinità, fornendo informazioni dettagliate sulla loro solubilità. Infine, la titolazione può essere utilizzata per determinare la solubilità delle proteine in condizioni specifiche. Questo metodo prevede l’aggiunta di un reagente a una soluzione contenente proteine fino a raggiungere un punto di equivalenza, consentendo di calcolare la concentrazione di proteina solubile.
Fattori che Influenzano la Solubilità
La solubilità delle proteine è influenzata da numerosi fattori, tra cui il pH, la temperatura e la forza ionica del solvente. Il pH è particolarmente importante, poiché influisce sulla carica netta della proteina e sulle interazioni elettrostatiche tra le molecole. Ogni proteina ha un pH ottimale, noto come punto isoelettrico, al quale la solubilità è massima. La temperatura è un altro fattore cruciale. A temperature elevate, le proteine possono denaturarsi, perdendo la loro struttura tridimensionale e, di conseguenza, la loro solubilità.
La forza ionica del solvente gioca un ruolo significativo nella stabilità delle proteine. Un aumento della forza ionica può stabilizzare le interazioni tra le proteine, aumentando la loro solubilità. Infine, la presenza di additivi come sali, detergenti o agenti stabilizzanti può influenzare notevolmente la solubilità delle proteine. Questi composti possono interagire con le proteine, migliorando la loro stabilità e solubilità.
Tecniche Analitiche
Le tecniche analitiche per la misura della solubilità proteica includono metodi spettroscopici, cromatografici e di risonanza magnetica nucleare (NMR). La spettroscopia UV-Vis è una delle tecniche più comuni, poiché consente di misurare l’assorbimento della luce da parte delle proteine, fornendo informazioni sulla loro concentrazione in soluzione. La cromatografia liquida ad alta prestazione (HPLC) è un’altra tecnica analitica molto utilizzata. Essa consente di separare e quantificare le proteine in base alla loro dimensione, carica o affinità. La risonanza magnetica nucleare (NMR) è una tecnica potente che fornisce informazioni dettagliate sulla struttura e la dinamica delle proteine in soluzione. Infine, l’elettroforesi è una tecnica che consente di separare le proteine in base alla loro carica e dimensione.
Interpretazione dei Dati
L’interpretazione dei dati sulla solubilità delle proteine richiede un’analisi attenta e sistematica. I risultati ottenuti dalle diverse metodologie devono essere confrontati per garantire la coerenza e l’affidabilità delle misurazioni. Inoltre, è importante considerare le condizioni sperimentali utilizzate durante la misurazione della solubilità. Fattori come il pH, la temperatura e la forza ionica possono influenzare i risultati e devono essere riportati in modo chiaro. L’analisi statistica dei dati è un altro aspetto cruciale. Utilizzare test statistici appropriati per valutare la significatività dei risultati consente di trarre conclusioni più robuste. Infine, la documentazione accurata dei risultati e delle metodologie utilizzate è essenziale per facilitare la riproducibilità degli esperimenti.
Applicazioni Pratiche
La quantificazione della solubilità proteica ha numerose applicazioni pratiche in vari settori. In biotecnologia, ad esempio, è fondamentale per la produzione di proteine ricombinanti, come anticorpi monoclonali e enzimi industriali. Nel campo della farmacologia, la solubilità delle proteine è cruciale per la formulazione di farmaci biologici. Proteine terapeutiche devono essere solubili per essere efficaci e biodisponibili. In nutrizione, la solubilità delle proteine è un fattore determinante nella formulazione di integratori alimentari e prodotti nutrizionali. Proteine solubili sono più facilmente assorbite dall’organismo, migliorando l’efficacia dei prodotti. Infine, la solubilità delle proteine è un parametro importante nella ricerca di base. Essa consente di studiare le interazioni tra proteine e altre biomolecole, fornendo informazioni preziose sulla loro funzione biologica.