CARNEVALE DELLA CHIMICA: LA STRUTTURA DELLE PROTEINE

Le proteine possono essere definite come la concretizzazione dell'informazione genetica, è solo grazie ad esse se le cellule possono funzionare in maniera adeguata,  ne esistono di molteplici tipi con funzionalità differenti: gli enzimi coinvolti nelle reazioni cellulari, le proteine di trasporto come l'emoglobina ecc...

Le proteine sono un vero e proprio miracolo d'ingegneria molecolare; la stabilità delle strutture proteiche è di fondamentale importanza per il loro corretto funzionamento e a farla da padrone nel determinare la giusta conformazione tridimensionale che le proteine devono assumere intervengono specifici legami chimici, in particolare modo legami idrogeno, interazioni idrofobiche, legami covalenti per fare un esempio.

I mattoni "molecolari" con i quali una cellula costruisce le proteine sono molecole note come amminoacidi, le proteine sono costituite da sequenze specifiche di amminoacidi; che ne determinano struttura e funzionalità specifica. Perchè una proteina per funzionare ha bisogno di effettuare uno specifico riiegamento della/e sequenze peptidiche che la compongono? ma soprattutto perchè una conformazione nativa di una proteina è preferita ad un altra?

Ambiente cellulare, sequenza amminoacidica, legami chimici tra l'ambiene acquoso e le stesse strutture amminoacidiche rendono il tutto un puzzle intricato dove ogni molecola ha il suo preciso posto da occupare per mantenere la conformazione nativa di una proteina.

La base delle strutture proteiche: il legame peptidico.

Perchè le sequenze amminoacidiche che formano una proteina non possono assumere innumerevoli conformazioni? Gli amminoacidi tendono a legarsi tra di loro attraverso...il legame è di tipo covalente. La formazione di legami covalenti tra i vari residui amminoacidici pone importanti limitazioni alle conformazioni di un peptide. La struttura che si viene ad osservare è la seguente: Cα--C--N--Cα. cioè ogni carbonio in alfa è separato da tre legami covalenti disposti secondo quella specifica sequenza. Molti studi portati avanti attraverso le tecniche di diffrazione ai raggi X hanno dimostrato che il legame ammidico C--N in un peptide sono più corti di quello che si forma in una ammina  e che fli atomi asociati al legame soo sulo stesso piano. Ciò indica la presenza di una risonanza o di una parziale ridistribuzione delle coppie di elettroni tra l'atomo di ossigeno cabonilico e l'atomo di azoto ammidico. L'ossigeno viene in tale modo ad aquistare una piccola carica negativa parziale, e l'azoto una parziale carica positiva, generando un possoclo dipolo elettrico. Tutto questo determina che il legame peptidico sia planare e he i sei atomi del legame peptidico siano disposti sullo stesso piano facendo si che gli atomi di ossigeno del gruppo carbonilico e l'azoto ammidico si trovino in posizione trans, Inoltre i legami ammidici non sono in grado di ruotare liberamente a causa della ridistribuzione degli elettroni poco prima ccennata che si viene a formare dal legame, che causa la presenza di un parziale doppio legame. quindi la rotazione è limitata solo ai legami N--Ca e Ca--C con la conseguenza che i legmai cvalenti che si creano tra i vari amminoacidi limitano enormemente il numero di conformazion che potrebbero essere assunte.   

Struttura secondaria

Il termine struttura secondaria si iferisce alla conformazione locale di alcune parti di un polipepride. La nosra discussione si soffermerà princialemente su alcuni tipo di ripiegamenti ripetitivi dello sheletro di un polipepride. I tipo di struttura secondaria stavili e universalmente distribuiti tra le proteine infatti sono relativamente pochi. Le conformazioni pià rilevanti sono l'alfa elica e il foglietto beta ripiegato. ...

alfa elica

L'alfa elica rappresenta fors la più semplice disposizione che na catena polipeptidica può assumere, come si può notare nell'immagine è una vera e propria struttura elicoidale, dove nella porzione interna della struttura troviamo gli atomi coinvolti nei legami peptidici, mentre all'esterno le catene laterali degli amminoacidi. Perchè questo tipo di struttura si forma meglio a differenza di altre?

La risposta è perchè in tale conformazione gli atomi che svolgono legami idrogeno..., infatti l'alfa elica è stabilizzata da legami idrogeno tra l'atomo di idrogeno leganto all'azoto elettropositivo di ogni legame pepetidico e l'atoo di ossigenocarvonilico elettronegatico del quarto residuo amminoacidico successivo posto nell'estremità amminoterminale della catena amminoacidica. quindiogni legame peptidico partecpa al mantenimento di tale struttura per mezzo di legami idrogeno. L'insieme di tre o quattro legami idrogeno per ogni giro dell'elica, fanno si che la struttura sia manenuta stabile. Ci sta da aggiungere un particolare importante, la stabilità dell'alfa elica dipende si dai legami idrogeno che si formano tra gli atomi di idrogeno e di azoto dei legami peptidici, ma dipende anche dalla sequenza amminoacidica, infatti non tutti i peptidi possono formare un alfa elica stabile. Alcuni residui amminoacidici possono destabilizzare la struttura secondaria a differenza degli altri. Prendiamo ad esempio una catena polipeptidica con molti residui amminoacidici basici (contenente molti residui di Arg o Lys  o Glu ad esempio) non si potrà formare in quanto i gruppi carbossilici delle catene laterali tutti carichi positivamente si repingeranno impedendo la formazione dell'alfa elica. Limitazioni possono essere dovute anche ale dimensioni delle catene latarali; residui amminoacidici come Asn, Ser, Thr, e Cys (...serina, treonina, cisteina) possono causare instabilità dell'alfa elica se si trovano molto vicini...

Instabilità si ha anche a casua dei residui amminoacidici prolina (Pro) e glicina (Gly). La prolina come potete vedere in figura è costituita da un anello rigido, l'atomo di azoto fa parte dell'anello e non è possibile alcuna rotazione attorno al legame N-C del legame peptidico, ciò determina che ogni residuo di prolina introduce un ripiegamento destbilizzante in una struttura ad alfa elica. Inoltre l'atomo di azoto di un residuo di prolina impegnato in un legame peptidico no ha l'atomo  ifrogeno sostituiente che è necessatuio per fenerare un legame idrogeno con altri residui Per questi motii la prolia è solo raramente presente all'interno di na 'alfa elica. La glicina invece per motivi diversi può conferire instabilità. A differenza della prolina ...

Altri motivi possono causare l'instabilitò dell'alfa elica,ad esmepio il tipo di amminoacido presente all'estremità del segmento coinvolto in qusto particolare ripiegamento. In ogni legame peptidico esiste un poccolo dopolo elettrico, la somma dei dipoli attraverso i legami idrogeno presenti all'interno dell'elica e il dipolo netto aumentano con la lunghezza dell'elica. In genere gli ultimi tre o quattro reisdui amminoacidici tendono a non partecipare alla formazione di questi legami, pe danno un certo contributo tramite le loro cariche positive o negative. Infatti le cariche positive o negative sui dipoli dell'elica risiedono sui gruppi N-H e C=O dei legami peptidici alle estremità carbossi e ammino terminali; infatti un'altra caratteristica delle alfa eliche è che gli amminoacidi carichi positivamente tendono a trovasi all'estremità carbossi terminale e quelli negativi all'estremità amminoterminale ...Quindi vi sono 5 restrizioni che possoo alteare la struttura dell'alfa elica:

• Repulsione elettrostatica tra i residui amminoacidici con gruppi R carichi
• Le dimensioni degli amminoacidi con catene laterali cariche positivamente o negativamente
• l'interazione tra i residui amminoacidici spaziati tra tre o quattro residui
• la presenza i residui di Pro e gly le interazioni tra fli amminoacid all'estrmitàò dell'eleica e il dopolo generato da questa struttura.

Il foglietto beta ripiegato.

Un secondo motivo altamente ripetuto nelle proteine è noto come conformazione beta. Nella conformazione beta lo scheletro covalente  della catena polipeptidica è estesa a zig zag come un vero e proprio foglietto ripiegato. Le catene polipeptidiche sono disposte l'una di fianco all'altra. In genere le catene R dei residui amminoacidici sporgono all'esterno della struttura a zig zag formando in questo modo una sequenza sfalsata. Anche in questo caso vi possono essere delle limitazioni nelle sequenze che possono formare queste strutture. Quando due foglietti si trovano molto vicino in una struttura proteica  i gruppi R delle catene devono essere relativamente piccole in modo da evitare qualsiasi tipo di ingombro sterico.

Da osservare in particolar modo i ripiegamenti beta, un ripiegamento di 180° che comprende quattro residui amminoacidici con il gruppo carbonilico del primo amminoacido che forma un legme idrogeno con il gruppo amminico del quarto residuo, i gruppi peptidici centrali non partecipano al legame. In questi ripegamenti sono spesso presenti amminoacidi come la Gly e la Pro, il primo in quanto piccolo e flessibile, il secondo in quanto si presta molto bene a indurre ripiegamenti a causa della sua struttura.

Struttura terziaria

Per struttura terziaria si intende il ripiegamento finale della proteina, mentre le stutture secondarie, sono ripiegamenti parziali di regioni che sono associate nella sequenza amminoacidica, nella struttura terziaria le varie strutture secondarie, e quindi residui amminoacidici che nei sottolivelli strutturali si trovavano nella sequenza molto distanti vengono ravvicinati. Alcune proteine contengono anche più catene polipeptidiche che possono a secodna dei casi essere anche identiche o diverse. l'unione di queste catene polipeptidiche va a determinare un particolare tipo di ripiegamento definito struttura quaternaria. Le proteine possono essere suddivise i due tipi, fibrose e globulari. I due grupp sono strutturalmente distinti e anhe funzionalmente, le prime sono coinvolte pricipalmente nella formazione delle strutture che determinano la resistenza la forma delle cellule dei vertebrati mentre gli enzimi e le proteine con funzioni di trasporto ad esempio hanno essenzialmente una struttura globulare.