Cosa sono le proteine? Questa denominazione raggruppa le macromolecole composte da catene polimeriche dove i monomeri sono composti dagli amminoacidi. Gli amminoacidi sono i mattoni fondamentali delle proteine. In natura esistono più di 500 amminoacidi mentre gli amminoacidi proteinogenici sono 20 amminoacidi. Gli amminoacidi proteinogenici vengono comunemente utilizzati per costruire le proteine nel nostro corpo. Questi amminoacidi sono considerati “proteinogenici” perché sono direttamente coinvolti nella sintesi delle proteine durante il processo biologico noto come traduzione.
Ogni amminoacido si compone di un carbonio centrale (chirale) a cui si attaccano quattro gruppi: una catena laterale caratteristica per ciascuno, un gruppo amminico (NH2), uno carbossilico (-COOH) e un idrogeno (-H). 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.
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. Tra i 20 amminoacidi proteinogenici, nove sono definiti essenziali. Questi sono un gruppo di amminoacidi che il nostro corpo non è in grado di sintetizzare autonomamente e che quindi devono essere assunti attraverso l’alimentazione. Questi amminoacidi sono considerati “essenziali” perché sono indispensabili per il corretto funzionamento dell’organismo, ma non possono essere prodotti internamente. Gli altri invece possono essere prodotti dall’organismo attraverso le vie del metabolismo.
Struttura Primaria e Secondaria
Le proteine si possono organizzare in quattro tipi di strutture diversi. Il meno articolato è quella della struttura primaria, detta anche lineare. Si tratta semplicemente dell’allineamento degli amminoacidi che compongono il peptide. Si può considerare anche lo scheletro della proteina. La struttura primaria di una proteina è determinata dalla sequenza degli amminoacidi che la compongono. Questa sequenza è determinata da geni specifici situati nel DNA. Ciò significa che l’ordine specifico e la disposizione degli amminoacidi conferiscono a ogni proteina la sua forma e funzione uniche. 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.
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. L'intera catena di amminoacidi viene infatti definita anche come polipeptide.
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La struttura primaria è fondamentale perché la sequenza dei suoi amminoacidi determina le sue funzioni biologiche. Inoltre, 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). Come descritto, l'intera struttura e funzione della proteina cambierebbe se un solo amminoacido venisse omesso o scambiato con un altro nella struttura primaria.
Più complessa è la struttura secondaria delle proteine, che invece prevede dei ripiegamenti della precedente. 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 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.
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. 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.
Struttura Terziaria e Quaternaria delle Proteine
Le macromolecole proteiche che si organizzano in una struttura terziaria acquistano un aspetto tridimensionale a seguito di ulteriori torsioni della catena. 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.
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. 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. 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.
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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.
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. Ogni catena è contraddistinta da proprie strutture primarie, secondarie e terziarie e viene definita come subunità della struttura quaternaria. Ognuna di queste è organizzata in una forma tridimensionale e viene detta subunità. Anche qui sono presenti legami a idrogeno, ionici e disolfuro che tengono insieme le catene. Le interazioni fra le subunità sono deboli e questa organizzazione è facilmente denaturabile.
Tra le proteine con una struttura quaternaria si può citare l’emoglobina. La differenza tra struttura terziaria e quaternaria può essere approfondita osservando l'emoglobina, come descritto di seguito. 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.
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.
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.
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Funzioni delle Proteine
Le proteine sono molecole biologiche fondamentali che svolgono una vasta gamma di funzioni nel corpo umano. La loro struttura unica a base di amminoacidi conferisce loro la capacità di agire come catalizzatori biologici, componenti strutturali, trasportatori, ormoni, regolatori del sistema immunitario e molto altro ancora.
- Funzione catalitica: Le proteine sono spesso coinvolte come enzimi, catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche all’interno delle cellule. Gli enzimi svolgono un ruolo chiave nel metabolismo, rompendo e sintetizzando molecole, facilitando la digestione e consentendo la produzione di energia.
- Funzione strutturale: Le proteine forniscono struttura e supporto ai tessuti e agli organi. Un esempio classico è il collagene, la proteina più abbondante nel corpo umano, che conferisce resistenza e flessibilità alla pelle, ai tendini, alle ossa e ai vasi sanguigni.
- Funzione di trasporto: Le proteine svolgono un ruolo chiave nel trasporto di molecole essenziali attraverso il corpo. Un esempio noto è l’emoglobina, una proteina presente nei globuli rossi che trasporta l’ossigeno dai polmoni ai tessuti per sostenere il metabolismo cellulare.
- 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. Un esempio è il recettore delle cellule nervose, che rileva i segnali chimici e li traduce in segnali elettrici per la trasmissione dell’informazione.
Relazione tra struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria
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.
Inoltre, 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.