Vol. 2° -  I.8.

LE PROTEINE

Aminoacido

È un composto organico solubile in acqua contenente sia un gruppo carbossilico ¾ COOH, sia un gruppo aminico ¾ NH2, legati all’atomo di carbonio a.

Peptide

È un composto organico contenente due o più aminoacidi legati tra loro da legami peptidici, formati dalla reazione tra gruppi carbossilici e aminici adiacenti con eliminazione di acqua. I dipeptidi contengono due aminoacidi, i tripeptidi ne contengono tre, e così via. I polipeptidi contengono più di dieci aminoacidi, in genere 100 ¸ 300. Gli oligopeptidi con meno di 10 aminoacidi presenti in natura sono il tripeptide glutatione e gli octopeptidi vasopressina e ossitocina.

Proteina

È una molecola organica costituita da una catena o da più catene lunghe di aminoacidi, cioè da catene polipeptidiche.

Le proteine sono composti che, per le loro peculiari caratteristiche, fanno parte di tutte le strutture viventi e intervengono in tutte le funzioni dell’organismo.

È possibile idrolizzare completamente una proteina mediante trattamento con acidi forti a 100°C, ottenendo così una soluzione dei suoi monomeri costitutivi che sono gli aminoacidi. La separazione cromatografica di questi estratti proteici ha permesso di dimostrare che sono 20 gli aminoacidi presenti in tutte le proteine naturali. L’enorme varietà delle strutture proteiche - la cellula batterica ne possiede 10²÷10³ e quella eucariotica 10⁵ - non dipende da un numero elevato di monomeri differenti bensì dalle possibilità pressoché illimitate di combinare i 20 diversi aminoacidi.

Una singola catena proteica può essere costituita da un centinaio fino ad alcune migliaia di aminoacidi che possono combinarsi in tutte le sequenze possibili, e uno stesso aminoacido può essere ripetuto più volte, per cui è assai difficile conoscere dettagliatamente tutte le proteine, ma, nonostante ciò, oggi è nota la struttura primaria - cioè la sequenza aminoacidica - di oltre 4.000 proteine.

Le proteine formate esclusivamente da aminoacidi sono dette semplici, mentre quelle coniugate  contengono, oltre a catene di aminoacidi che costituiscono il loro gruppo proteico, anche molecole di natura diversa che rappresentano il gruppo prostetico. Sono gruppi prostetici gli ioni metallici e alcune vitamine indispensabili per l’attività di certi enzimi, le catene oligosaccaridiche delle glicoproteine, l’anello porfirinico di cui sono dotate l’emoglobina e altre cromoproteine.

8.1. Gli Aminoacidi

Gli aminoacidi sono i monomeri costitutivi delle proteine. Sono piccole molecole organiche caratterizzate, eccetto la prolina, dalla seguente struttura comune:

Il carbonio in posizione 2, fatta eccezione per la glicina, è asimmetrico in quanto legato a quattro gruppi diversi; pertanto per ogni aminoacido possono esistere due isomeri che si designano come forme D- e L-, destrogira e levogira.  

Ciascun aminoacido porta un gruppo chimico aggiuntivo legato al carbonio a, detto radicale o gruppo R. È il gruppo R che varia da un aminoacido all'altro e conferisce a ciascun aminoacido le sue proprietà caratteristiche. Dato che le proteine hanno una sequenza e una frequenza di aminoacidi diversa, l’organizzazione dei gruppi R conferisce alla proteina struttura e proprietà funzionali. I 20 aminoacidi presenti in natura sono divisi in sottogruppi, a seconda che il gruppo R sia acido (acido aspartico), basico (lisina), neutro polare (leucina) o neutro non polare (serina).

Gli aminoacidi di un polipeptide sono tenuti insieme da un legame peptidico, legame covalente che unisce il gruppo carbossilico di un aminoacido al gruppo aminico dell'altro aminoacido. Un polipeptide, quindi, è una molecola lineare, non ramificata, che consiste normalmente 100 o più aminoacidi uniti da legami peptidici.

Ogni polipeptide ha un gruppo a-aminico libero a un’estremità, detta estremità N o aminoterminale e un gruppo a-carbossilico libero all'altra estremità chiamata estremità C o carbossiterminale.

I polipeptidi hanno una polarità: per convenzione, dato che il polipeptide viene sintetizzato secondo la direzione suddetta, l’estremità N viene definita come l’inizio della catena polipeptidica.

Nelle proteine naturali gli aminoacidi sono sempre presenti nella forma L, mentre le forme D non vengono utilizzate per la sintesi proteica, ma sono presenti in alcuni piccoli polipeptidi elaborati da microrganismi, dotati di azione antibiotica.

Gli aminoacidi sono sostanze anfotere, in quanto contengono almeno un gruppo funzionale acido ¾ COOH e uno basico ¾ NH2. In soluzione acquosa possono essere in forma di cationi (+), anioni (-) e anfoioni; questi ultimi sono dotati di un numero uguale di cariche positive e negative. A pH molto bassi e molto alti predominano le forme cationiche e anioniche. A pH intermedi è in genere predominante la forma anfoionica.

Generalmente gli aminoacidi sono indicati con simboli a tre lettere, ma di recente è stato proposto un sistema di simboli a una sola lettera. Oltre agli aminoacidi costituenti le proteine, nelle cellule sono presenti aminoacidi liberi che formano il pool [1] degli aminoacidi. Essi derivano dalla demolizione delle proteine o da processi di assorbimento dal mezzo intercellulare.

8.2. Struttura delle proteine

Fig. I. 5 - Livelli di organizzazione delle proteine.
Struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

8.2.a. Struttura primaria delle proteine

Una proteina è formata da una lunga catena di aminoacidi, detta sequenza aminoacidica, in cui i monomeri sono uniti fra loro da un legame peptidico ¾ CO ¾ NH ¾. Tale legame, detto anche carboamidico, si forma per condensazione del gruppo carbossilico di un aminoacido con il gruppo aminico del successivo.

La formazione del legame peptidico richiede dispendio energetico con intervento di catalizzatori specifici, gli enzimi. I 6 atomi costituenti il legame peptidico si trovano sullo stesso piano e ciascun legame peptidico è unito tramite il carbonio a al piano del legame successivo. La catena polipeptidica può quindi ripiegarsi nello spazio solo mediante rotazioni attorno ai legami del carbonio a.

La sequenza degli aminoacidi nella catena polipeptidica rappresenta la struttura primaria, specifica per ogni proteina. Come si è già accennato, con 20 aminoacidi può formarsi un numero pressoché illimitato di strutture primarie, così come con le 21 lettere dell’alfabeto è possibile costruire un numero illimitato di parole.

La struttura primaria, cioè tipo e sequenza degli aminoacidi, condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola, dalle quali dipendono le proprietà biologiche. Tuttavia l’analisi strutturale di alcune proteine, come l’insulina, ha permesso di dimostrare che, mentre la sostituzione anche di un solo aminoacido in certi punti della molecola porta alla completa inattivazione funzionale della stessa, sostituzioni in altre posizioni non hanno effetti analoghi. Ciò indica che le funzioni di una proteina non dipendono soltanto dalla natura chimica dei suoi costituenti ma anche dalla loro localizzazione in determinati punti della molecola, importanti nel determinare la configurazione che la catena polipeptidica assume nello spazio.

8.2.b. Struttura secondaria delle proteine

I legami responsabili della formazione di una catena polipeptidica, cioè della struttura primaria, sono sempre legami covalenti.

Come si è detto a proposito del legame peptidico, soltanto il gruppo carboamidico è situato su di un piano fisso, mentre le restanti parti della molecola possono avere un certo grado di libertà rotazionale nello spazio. Ovviamente, tale grado di libertà è condizionato dall’energia cinetica del complesso molecolare che può quindi variare continuamente di forma, assumendo, in particolari condizioni, una struttura elicoidale casuale, random coil. Tuttavia, normalmente, la configurazione molecolare viene stabilizzata in un assetto definitivo, detto appunto struttura secondaria, dall’instaurarsi di legami deboli a idrogeno che si esercitano fino a distanze di circa 0,3 nm. Se gruppi ¾ CO ¾ e ¾ NH ¾ appartenenti ad aminoacidi diversi e impegnati nel legame peptidico si trovano a distanze che rientrano in tale ordine di grandezza, può stabilirsi il legame a idrogeno che rende stabile la conformazione della catena proteica.

A causa della rigidità delle giunzioni tra legami peptidici, è possibile soltanto un numero molto limitato di strutture secondarie regolari, di cui le principali sono:

Ø configurazione tipo b-cheratina, a fisarmonica: configurazione caratteristica di alcune molecole proteiche a struttura allungata, dette pertanto fibrose, come le proteine della seta e la cheratina. Tuttavia, configurazioni di questo tipo sono possibili anche all’interno di molecole proteiche che, nell’insieme, presentano forma globulare. Tale struttura prende origine da legami a idrogeno tra gruppi ¾ CO ¾ e ¾ NH ¾ dei residui aminoacidici di due catene polipeptidiche che decorrono antiparallele a distanza di circa 0,3 nm. In tal modo si forma una struttura pieghettata a fisarmonica con i legami carboamidici posti su di un piano e i residui aminoacidici, i gruppi laterali, che sporgono al di sopra e al di sotto di tale lamina pieghettata.

Ø configurazione tipo a-elica: la struttura secondaria più frequentemente assunta dalla catena polipeptidica è rappresentata da un avvolgimento a spirale detto a-elica [2] che presenta un passo di 0,54 nm e contiene 3,6 residui aminoacidici per giro. In questo modo la molecola polipeptidica viene ad assumere un diametro di circa 1 nm, compresi i residui (R) che sporgono lateralmente alla spirale. Questo tipo di struttura si forma spontaneamente se le situazioni steriche dei residui aminoacidici lo permettono.

Ø configurazione tipo tropocollagene, a triplice elica: tipo particolare di struttura secondaria presentata dalla proteina costitutiva delle fibre del collagene, cioè il tropocollagene. Tale molecola è costituita da tre filamenti polipeptidici (due uguali fra loro come struttura primaria e il terzo diverso) che si organizzano in una configurazione elicoidale a passo regolare di 0,93 nm e ad andamento sinistrorso. Ciascun filamento presenta tratti a elica regolare, dove predominano residui aminoacidici idrofobi, alternati ad altri con struttura più irregolare dove predominano residui idrofili. L’alta percentuale di residui di prolina causa frequenti interruzioni nella struttura elicoidale regolare. Quest’organizzazione strutturale può essere considerata secondaria in quanto la maggior parte dei legami che intervengono sia nella stabilizzazione della struttura di ogni singolo filamento che nell’associazione ad elica regolare dei tre filamenti, sono legami a idrogeno. Tuttavia, la struttura del tropocollagene è resa ancor più complessa dalla presenza di radicali glucidici che intervengono nei legami laterali.

In conclusione, la struttura secondaria di una proteina è determinata da un complesso di fenomeni sterici che porta la molecola ad assumere una conformazione definita mediante la formazione del massimo numero di legami a idrogeno tra gruppi ¾ CO ¾ e ¾ NH ¾ dei legami peptidici.

8.2.c. Struttura terziaria delle proteine

Dati sperimentali dimostrano che moltissime proteine presentano una configurazione spaziale più complessa di quella determinata dalla loro struttura secondaria. Anche tale configurazione terziaria non è casuale ma ben definita, tanto da rendere possibile la cristallizzazione della proteina stessa.

La struttura terziaria, che rappresenta la struttura tridimensionale vera e propria della proteina, viene infatti determinata non solo da legami a idrogeno tra i gruppi peptidici, ma da una serie di altri legami di varia natura che si instaurano tra i radicali degli aminoacidi e tra questi e il solvente, rappresentato dall’acqua, e i soluti in essa disciolti. Tali legami sono in genere deboli, ma poiché sono presenti in gran numero, il loro contributo totale può essere anche più stabilizzante di un legame covalente. Tra questi tipi di interazioni, le più frequenti sono:

o legami di tipo ione-ione e ione-dipolo che si instaurano tra residui ionizzati di aminoacidi acidi e basici oppure tra questi residui e l’acqua o gli ioni in essa disciolti

o legami dipolo-dipolo (legami a idrogeno) tra gruppi presenti nelle catene laterali (R) di alcuni aminoacidi, come tirosina e acido aspartico

o forze di Van der Waals dovute ad attrazioni elettrostatiche istantanee da dipoli indotti

o interazioni non polari che hanno luogo tra residui apolari in base alla comune repulsione per l’acqua

o alla stabilizzazione della struttura terziaria possono contribuire i ponti ¾ S ¾ S ¾ che si stabiliscono fra due residui cisteinici

Finora, mediante analisi cristallografica ai raggi X, è stata definita la struttura tridimensionale di alcune centinaia di proteine. Come si è accennato, le proprietà chimico-fisiche e biologiche di una proteina dipendono dall’integrità della struttura terziaria. Infatti la funzione esplicata da una proteina è una conseguenza della specificità dei rapporti che essa contrae con altre molecole. Questa specificità è di tipo sterico, cioè legata alla configurazione spaziale della molecola proteica.

Nel caso degli enzimi, degli ormoni e degli anticorpi, le reazioni chimiche mediate da proteine non dipendono tanto da interazioni forti, come quelle che intervengono tramite legami ionici e covalenti, ma dalle numerosissime interazioni deboli che rendono possibile il riconoscimento di superfici molecolari complementari e richiedono quindi una localizzazione precisa dei gruppi che debbono intervenire nella reazione. È questa infine la ragione per cui la sostituzione di un singolo residuo aminoacidico può alterare completamente la funzionalità di una proteina o, al contrario, non avere alcun effetto. Ciò, perché, non importa tanto la natura chimica della sostituzione, quanto il sito in cui questa avviene, potendo provocare o meno una modificazione nella struttura tridimensionale o terziaria della macromolecola.

8.2.d. Struttura quaternaria delle proteine

In condizioni fisiologiche alcune proteine sono costituite da più catene polipeptidiche, dette subunità, associate tra loro a formare un complesso proteico dotato di una definita struttura spaziale, la struttura quaternaria.

L’emoglobina e la mioglobina sono tipici esempi di proteine dotate di struttura quaternaria. Tali molecole sono costituite da quattro catene polipeptidiche, due a due uguali, denominate a-globine e b-globine. Ogni globina ha una caratteristica struttura terziaria che consente di accogliere, in un incavo profondo, un gruppo tetrapirrolico contenente il ferro, detto eme, capace di legare l’ossigeno. Tale gruppo risulta sempre unito con legami ionici alla catena polipeptidica, mentre lo ione ferroso bivalente dell’eme è legato, oltre che con l’azoto dei quattro nuclei pirrolici, anche con l’azoto di un residuo istidinico.

Molte proteine presentano struttura quaternaria, essendo costituite da monomeri proteici che, se dissociati e poi posti in condizioni sperimentali adatte, riescono a riassociarsi in modo specifico riformando un complesso proteico completo dotato di attività funzionale.

In conclusione, le proteine rappresentano una classe di macromolecole altamente specifiche che svolgono funzioni essenziali quali:

§ catalisi, che consiste nel controllo della velocità delle reazioni biochimiche

§ riconoscimento sterico, cioè la capacità di riconoscere specifici gruppi molecolari; quest’ultima capacità sta alla base del sistema immunitario e della trasmissione dei messaggi ormonali, nonché del riconoscimento del substrato da parte dell’enzima

§ funzioni strutturali nell’architettura della cellula.