Definizione, composizione e struttura delle proteine

Proteine: contenuti in breve

Cosa sono le proteine?

Proteine
Fig. 1 – Struttura di una Proteina

Il termine “proteina” deriva dal greco proteios, che significa primario, e fu suggerito per la prima volta da Jöns Jacob Berzelius, uno dei padri della chimica moderna, ad un collega, Gerardus Johannes Mulder, che nel 1839 stava studiando la composizione chimica delle albumine. Berzelius riteneva infatti, sulla base della formula attribuita da Mulder alle albumine, C40H62O12N10, formula errata, che potessero essere le sostanze biologiche più importanti.
Nonostante l’errore di Mulder, Berzelius ebbe una “intuizione profetica”.
Sono una classe di molecole presenti in tutti gli esseri viventi e in tutti i compartimenti della cellula, e nelle cellule animali possono arrivare a costituire oltre il 50% del peso secco.
Sia le proteine animali che quelle vegetali, batteriche e virali sono polimeri lineari formati da unità dette aminoacidi. Sono stati individuati circa 20 aminoacidi, presenti quasi esclusivamente nella forma L, e legati tra di loro tramite un legame covalente detto legame peptidico o carboamidico, che è rigido e planare. La sequenza con cui sono presenti gli aminoacidi, che è specificata dal gene che codifica per la molecola in esame, è definita catena polipeptidica. Ogni aminoacido si ripete un numero di volte più o meno elevato.
Occasionalmente in proteine di origine batterica sono stati trovati D-aminoacidi.
Le proteine sono presenti con strutture estremamente varie, anche all’interno di una stessa cellula, dove se ne possono ritrovare centinaia di tipi diversi, che svolgono funzioni differenti.

Nota: il legame peptidico è molto stabile in condizioni di pH fisiologico, tanto che in assenza di interventi esterni la sua vita è di circa 1100 anni.

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Struttura delle proteine

Le proteine sono le molecole più versatili presenti negli organismi viventi, dove svolgono funzioni essenziali per la vita stessa. La grande varietà delle funzioni che sono capaci di svolgere deriva dalla possibilità della catena polipeptidica di ripiegarsi in strutture tridimensionali particolari che assicurano la capacità di legare molecole differenti e di svolgere i compiti più vari.
Nella descrizione della struttura che assume nello spazio la catena polipeptidica è di aiuto distinguere vari livelli di organizzazione, che saranno analizzati di seguito.

Nota: le strutture successive a quella secondaria sono presenti solo nelle proteine globulari.

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Struttura primaria

Proteine
Fig. 2 – Frederick Sanger

La prima proteina di cui si conobbe la struttura primaria fu l’insulina, grazie al lavoro di Frederick Sanger nel 1953.
La struttura primaria è la sequenza aminoacidica di una proteina, il suo livello di organizzazione più basso, e come detto è unica e geneticamente determinata.
Può essere costituita da 40 fino ad oltre 4000 residui aminoacidici e determina quella che sarà la struttura tridimensionale della molecola stessa, da cui dipende direttamente la funzione che la stessa andrà a svolgere.
La catena polipeptidica è dotata di polarità in quanto le due estremità sono differenti: una presenta un gruppo amminico libero, detto gruppo ammino-terminale, l’altra un gruppo carbossilico libero, detto gruppo carbossi-terminale. Le due estremità della catena polipeptidica sono definite anche estremità N-terminale e C-terminale per distinguere i due gruppi da quelli presenti nelle catene laterali degli aminoacidi interni alla catena. Per convenzione l’estremità amminica libera è considerata l’inizio della catena, e dunque si scrive a sinistra.
La struttura primaria è interessante anche perché, confrontando quella di una stessa proteina presente in specie differenti, si possono individuare le variazioni che il gene corrispondente ha subito, che sono indice di quanto le specie si siano separate nel corso dell’evoluzione.

I termini dipeptide, tripeptide, oligopeptide e polipeptide sono utilizzati per indicare catene di lunghezza diversa, rispettivamente composte da 2, 3, meno di 50, e più di 50 residui.

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Struttura secondaria

La scoperta della struttura secondaria delle proteine si deve al lavoro di Linus Pauling e Robert Corey nel 1951, i quali proposero l’esistenza di due strutture dette α-elica e foglietto β o struttura β a foglietto pieghettato.
La struttura secondaria deriva dalla formazione di legami ad idrogeno tra parti contigue della catena polipeptidica dotate di particolari sequenze aminoacidiche. Dunque descrive la disposizione nello spazio di residui aminoacidici adiacenti lungo la struttura primaria.
Oltre alle strutture sopra citate ne sono state individuate altre quali i β turn (beta turn), i γ turn (gamma turn) e gli Ω loop (omega loop), tutte appartenenti al gruppo definito reverse turns. Queste strutture sono spesso presenti nei punti dove la catena polipeptidica inverte la propria direzione ed in genere sono disposte sulla superficie della molecola.

Nota: circa il 32-38% degli aminoacidi delle proteine globulari si ritrova in una conformazione ad α-elica.

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Strutture supersecondarie o motivi

Sono combinazione di strutture secondarie a formare una regione della molecola con una topologia e struttura tridimensionale caratteristica. Sono connesse tra di loro da regioni ad ansa prive di una struttura definita. Tra i motivi si ritrovano le “dita di zinco” (β-α-β), spesso presenti nelle proteine che legano l’RNA o il DNA; altre strutture comuni sono quella a greca, il meandro β ed il barilotto β.

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Domini

Il livello successivo di organizzazione è rappresentato dai domini, regioni globulari che risultano dalla combinazione di motivi che si ripiegano in modo indipendente dal resto della catena polipeptidica a dare una struttura stabile.
Sono costituiti da 40-400 aminoacidi, tranne i domini motori e chinasici che sono formati da un numero molto maggiore di aminoacidi.
I domini sono stati classificati in 3 gruppi principali, individuati in base alle strutture secondarie e motivi presenti:

  • domini α;
  • domini β;
  • domini α/β.

Sono state identificati oltre 1000 famiglie di domini (i membri di ciascuna famiglia sono detti omologhi), sembra evolute da un antenato comune.
Molto spesso un dominio è dotato di una specifica funzione, quindi è un’unità funzionale della proteina in cui è contenuto.
Le proteine possono essere costituite da un singolo dominio, quelle più piccole, o da più domini. Ad esempio, la chimotripsina è composta da un dominio, mentre la papaina da due domini.

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Struttura terziaria

Proteine
Fig. 3 – Mioglobina

La struttura terziaria è la struttura tridimensionale della proteina, anche detta “struttura nativa” e la prima proteina di cui è stata determinata tale struttura è la mioglobina, grazie al lavoro di John Kendrew nel 1958.
In questo tipo di struttura, il ripiegamento della catena polipeptidica fa si che residui aminoacidici prima lontani si ritrovino vicini, dunque riguarda la disposizione nello spazio di aminoacidi lontani tra di loro nella struttura primaria.
La struttura terziaria, specie delle proteine formate da più di 200 residui aminoacidici, è formata da diversi domini uniti da brevi segmenti polipeptidici, ed è spesso stabilizzata da legami disolfuro tra residui di cisteina, ponti che si stabiliscono dopo che la molecola ha raggiunto la sua struttura nativa.

Nota: non tutte le proteine globulari sono dotate di struttura terziaria.
Un esempio sono le caseine del latte, la cui catena polipeptidica assume una conformazione tridimensionale disordinata, anche detta “random coiled structure”. La struttura tridimensionale disordinata fa si che queste proteine siano molto suscettibili all’attacco delle proteasi intestinali, e quindi alla liberazione degli aminoacidi costituenti, il che le rende estremamente idonee alla loro funzione nutrizionale.
Un altro esempio di proteina random coiled è l’elastina.

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Struttura quaternaria

Proteine
Fig. 4 – Emoglobina

Questo ulteriore livello di organizzazione strutturale descrive come due o più catene polipeptidiche si associano tra di loro, dunque si riferisce alla disposizione spaziale delle singole catene e alla natura delle forze che le legano, quali:

  • l’effetto idrofobo, che è il principale responsabile del ripiegamento delle proteine;
  • il legami idrogeno;
  • le interazioni di van der Waals;
  • le interazioni ioniche;
  • i legami covalenti trasversali.

La struttura risultante è definita oligomero (proteina oligomerica) e le subunità polipeptidiche costituenti, che possono essere uguali o diverse tra loro, monomeri o semplicemente subunità.
In genere la maggior parte delle proteine intracellulari sono oligomeri, a differenza della maggior parte di quelle extracellulari. Un esempio classico di proteina con struttura quaternaria è l’emoglobina.
Questo livello di struttura è ovviamente assente nelle proteine globulari formate da una solo catena polipeptidica, ossia nelle proteine monomeriche.

Le proteine sono anche in grado di interagire tra di loro a formare strutture nelle quali, agendo in modo sinergico, riescono a svolgere funzioni che da sole non sarebbero capaci di portare a termine. Esempi sono le “macchine macromolecolari” che intervengono nella sintesi del DNA e delle proteine medesime, nella contrazione muscolare o nella trasmissione dei segnali tra cellule adiacenti.

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Bibliografia

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Un commento su “Definizione, composizione e struttura delle proteine”

  1. Complimenti per il sito, non è facile mantenere rigore scientifico, chiarezza e sintesi in uno spazio contenuto. Lei lo riesce a fare.

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