Le proteine fanno parte delle macromolecole biologiche e sono tra le quattro più importanti presenti negli organismi viventi. Queste macromolecole ubiquitarie costituiscono circa i tre quarti del peso secco della maggior parte dei tessuti animali e di conseguenza sono coinvolte nella struttura e nelle funzioni di ciascun organismo vivente.
Il termine "proteine" è stato proposto da J.J. Berzelius e adottato per la prima volta dal chimico olandese G.J. Mulder.
Definizione delle Proteine
Le proteine sono molecole complesse a causa della particolarità della loro struttura. L'unità di base della struttura proteica è un amminoacido. Gli amminoacidi si uniscono in lunghe catene mediante legami peptidici covalenti per formare polimeri chiamati polipeptidi. Queste catene sono così lunghe da ripiegarsi su se stesse più e più volte fino a dare luogo a strutture complesse.
Gli organismi viventi sono in grado di sintetizzare autonomamente solo una piccola parte delle proteine di cui necessitano. Da qui deriva il bisogno di assumere i restanti amminoacidi (detti amminoacidi essenziali) tramite una corretta alimentazione. Ad esempio, carne e pesce, ma anche cereali e legumi contengono tutti gli amminoacidi essenziali.
Monomeri delle Proteine: Amminoacidi
Gli amminoacidi sono composti organici formati da carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. L'azoto (N) è la componente principale che li distingue dalle altre macromolecole biologiche. Andiamo ora a esaminare i cinque componenti costitutivi di un amminoacido:
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- Un atomo di carbonio centrale, o carbonio α (carbonio alfa);
- Un gruppo amminico -NH2;
- Un gruppo carbossilico -COOH;
- Un atomo di idrogeno -H;
- Un gruppo laterale R, che è unico per ogni amminoacido.
Gli amminoacidi naturalmente presenti nelle proteine sono 20 e ognuno di essi è costituito dalla struttura base (punti 1-4 del precedente elenco) più un particolare gruppo R.
Sintesi delle Proteine
Gli amminoacidi si uniscono tra loro a seguito di una reazione di condensazione e creano tra di loro legami covalenti chiamati legami peptidici. Una catena di amminoacidi legati tra loro mediante legami peptidici forma un polipeptide e, per estensione, una proteina.
Un legame peptidico si forma quando il gruppo carbossilico di un amminoacido reagisce con il gruppo amminico di un altro amminoacido. Il gruppo carbossilico dell'amminoacido 1 perde un ossidrile -OH, mentre il gruppo amminico dell'amminoacido 2 perde un atomo di idrogeno -H, creando acqua che viene rilasciata. Il legame peptidico si forma sempre tra l'atomo di carbonio del gruppo carbossilico dell'amminoacido 1 e l'atomo di idrogeno del gruppo amminico dell'amminoacido 2.
Quando gli amminoacidi si uniscono con legami peptidici, essi creano peptidi. Due amminoacidi uniti da legami peptidici sono chiamati dipeptidi, tre sono chiamati tripeptidi, ecc. Le proteine contengono più di 50 amminoacidi in una catena e sono perciò chiamate polipeptidi (poli- significa "molti"). Le proteine possono essere costituite da una catena molto lunga o più catene polipeptidiche combinate.
Gli amminoacidi che formano le proteine sono talvolta indicati come residui di amminoacidi. Questo è dovuto al fatto che, quando si forma il legame peptidico tra due amminoacidi, l'acqua viene rimossa "portando via" atomi dalla struttura originale degli amminoacidi. Ciò che rimane della struttura è quindi chiamato residuo amminoacidico.
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Struttura delle Proteine: Primaria, Secondaria, Terziaria e Quaternaria
In base alla sequenza degli aminoacidi e alla complessità della molecola, possiamo distinguere quattro strutture di proteine: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. Le strutture primaria e secondaria guardano alla proteina in 2D, mentre le strutture terziaria e quaternaria si riferiscono alla proteina in 3D.
La struttura primaria è la sequenza base di amminoacidi in una catena polipeptidica. La struttura secondaria si riferisce alla catena polipeptidica della struttura primaria che si ripiega in un certo modo a causa del fatto che gli amminoacidi presenti sulla catena interagiscono tra di loro formando legami. Quando anche i gruppi R presenti sulla catena iniziano a interagire tra di loro, la struttura secondaria delle proteine inizia a ripiegarsi ulteriormente e si forma la struttura terziaria. La struttura quaternaria è la più complessa di tutte: si forma quando più catene polipeptidiche, ripiegate in modo specifico, sono legate con gli stessi legami chimici.
- La struttura primaria è data dalla particolare sequenza di amminoacidi.
- La struttura secondaria è il primo livello di organizzazione spaziale.
- La struttura terziaria rappresenta la disposizione spaziale tridimensionale degli atomi della proteina.
- La struttura quaternaria si ha quando le proteine presentano da 2 a più catene polipeptidiche chiamate subunità.
La disposizione grossolana della catena completa viene detta struttura terziaria e la relazione spaziale fra una catena polipeptidica e le altre viene definita struttura quaternaria.
Tipi di Proteine
Le proteine hanno una vasta gamma di funzioni negli organismi viventi. In base alle loro funzioni generali, possiamo dividerle in tre gruppi: proteine fibrose, globulari e di membrana.
Proteine Fibrose
Le proteine fibrose sono proteine strutturali che, come suggerisce il nome, sono responsabili della struttura solida di varie parti di cellule, tessuti e organi. Non partecipano a reazioni chimiche, ma operano esclusivamente come unità strutturali e connettive. Le proteine fibrose sono lunghe catene polipeptidiche che corrono parallele e sono strettamente avvolte l'una all'altra. Questa struttura è stabile grazie ai ponti incrociati che collegano tra loro i vari segmenti di polipeptidi, il che le rende allungate e simili a fibre. Le proteine fibrose sono insolubili in acqua; proprio questa caratteristica, insieme alla loro stabilità e resistenza, le rende eccellenti componenti strutturali.
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Le proteine fibrose comprendono collagene, cheratina ed elastina:
- Il collagene e l'elastina sono i componenti costitutivi della pelle, delle ossa e del tessuto connettivo e servono anche a sostenere la struttura di muscoli, organi e arterie.
- La cheratina si trova nello strato esterno della pelle umana, nei capelli e nelle unghie, nelle piume, nei becchi, negli artigli e negli zoccoli degli animali.
Proteine Globulari
Le proteine globulari sono proteine funzionali. Esse svolgono una gamma di ruoli molto più ampia rispetto alle proteine fibrose. Infatti, agiscono come enzimi, trasportatori, ormoni, recettori e molto altro ancora. Si può dire che le proteine globulari svolgono funzioni metaboliche. Dal punto di vista strutturale, queste proteine sono sferiche o simili a un globo.
Al gruppo delle proteine globulari appartengono l'emoglobina, l'insulina, l'actina e l'amilasi:
- L'emoglobina trasferisce l'ossigeno dai polmoni alle cellule, conferendo al sangue il suo colore rosso.
- L'insulina è un ormone che aiuta a regolare i livelli di glucosio nel sangue.
- L'actina è essenziale per la contrazione muscolare, la motilità cellulare, la divisione cellulare e la segnalazione cellulare.
- L'amilasi è un enzima che idrolizza (scinde) l'amido in glucosio.
Proteine di Membrana
Le proteine di membrana si trovano nelle membrane plasmatiche. Queste membrane sono membrane di superficie cellulare, cioè separano lo spazio intracellulare da tutto ciò che è extracellulare o esterno alla membrana di superficie. Le proteine di membrana sono composte da un bilayer (doppio strato) di fosfolipidi. Le proteine di membrana fungono da enzimi, facilitano il riconoscimento cellulare e partecipano al trasporto attivo e passivo. Le proteine di membrana si distinguono in integrali e periferiche.
Proteine Integrali di Membrana
Le proteine integrali di membrana sono parti permanenti della membrana plasmatica. Le proteine integrali che attraversano l'intera membrana sono chiamate proteine transmembrana. Servono come proteine di trasporto, consentendo il passaggio di ioni, acqua e glucosio attraverso la membrana. Esistono due tipi di proteine transmembrana: le proteine canale e le proteine trasportatrici.
Proteine Periferiche di Membrana
Le proteine periferiche di membrana non sono attaccate in modo permanente alla membrana e possono quindi attaccarsi e staccarsi dalle proteine integrali o da entrambi i lati della membrana plasmatica. Il loro ruolo comprende la segnalazione cellulare, la conservazione della struttura e della forma della membrana cellulare, il riconoscimento proteico e l'attività enzimatica.
Funzioni delle Proteine
Varie sono le funzioni delle proteine. Oltre a quelle già menzionate, altre proteine hanno una funzione di regolazione (ormoni) e poche altre partecipano al sistema immunologico che difende l'organismo (anticorpi).
- Funzione catalitica: Le proteine sono spesso coinvolte come enzimi, catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche all’interno delle cellule.
- Funzione strutturale: Le proteine forniscono struttura e supporto ai tessuti e agli organi.
- Funzione di trasporto: Le proteine svolgono un ruolo chiave nel trasporto di molecole essenziali attraverso il corpo.
- Funzione ormonale: Alcune proteine agiscono come ormoni, regolando i processi fisiologici nel corpo.
- Funzione di difesa: Le proteine del sistema immunitario, come gli anticorpi, sono essenziali per il riconoscimento e la neutralizzazione di agenti patogeni come batteri, virus e altri organismi invasori.
- Funzione di regolazione: Alcune proteine agiscono come regolatori dell’espressione genica.
- Funzione di comunicazione cellulare: Le proteine sono coinvolte nella comunicazione cellulare, trasmettendo segnali tra le cellule.
Denaturazione delle Proteine
Le proteine possono alterarsi molto facilmente a causa di modificazioni di pH, per effetto di radiazioni U.V., del calore, o per azione di solventi organici. Tali alterazioni vengono comunemente denominate come denaturazione delle proteine.
Proteine - Punti Chiave
- Le proteine sono macromolecole biologiche complesse la cui unità di base (monomeri) sono gli amminoacidi.
- Nei sistemi viventi esistono 20 amminoacidi.
- Le proteine fibrose sono proteine strutturali responsabili delle strutture solide di varie parti di cellule, tessuti e organi.
- Le proteine globulari sono proteine funzionali e agiscono come enzimi, trasportatori, ormoni, recettori e molto altro.
- Le proteine di membrana si trovano nelle membrane plasmatiche e servono come enzimi, facilitano il riconoscimento cellulare e partecipano al trasporto attivo e passivo.
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