Introduzione alle proteine

Le proteine sono grandi polimeri lineari composti da centinaia e fino a migliaia di L-α-amminoacidi legati in serie da legami covalenti detti legami peptidici.
Sono una classe di biomolecole molto grande, arrivando a costituire oltre il 50% del peso secco delle cellule, dove sono le macromolecole più abbondanti, ∼ 42 milioni per cellula, e varia, in quanto all’interno di una singola cellula se ne possono trovare migliaia di tipi differenti.
Grazie al fatto che sono più facili da isolare rispetto agli acidi nucleici, ai lipidi e ai polisaccaridi, che sono carboidrati complessi, il loro studio ha preceduto quello delle altre biomolecole e può essere fatto risalire agli studi sulla composizione chimica delle albumine condotti da Jöns Jacob Berzelius e Gerardus Johannes Mulder nel 1839. Per confronto, la scoperta del ruolo degli acidi nucleici nella trasmissione ed espressione dell’informazione genetica avvenne alla fine degli anni ’40 del secolo scorso, e quella del loro ruolo catalitico solo negli anni ’80, mentre il ruolo dei lipidi nelle membrane biologiche venne alla luce solo negli anni ’60.
Esempio di struttura tridimensionale delle proteineLe proteine sono tra le biomolecole le più versatili ed hanno un ruolo centrale in praticamente tutti gli aspetti della struttura e funzione della cellula, come ad esempio il trasporto dell’ossigeno, la risposta immunitaria, il controllo della crescita e della differenziazione, o il movimento. Ogni proteina è adattata in modo specifico al suo ruolo biologico, e l’informazione per la sua sintesi, e quindi per il suo ruolo, è contenuta nel gene che la codifica. Si può quindi affermare che le proteine sono gli strumenti molecolari attraverso cui l’informazione genetica si esprime.

INDICE

Dagli amminoacidi alla struttura primaria

Al pari della altre macromolecole biologiche, quali i polisaccaridi e gli acidi nucleici, anche le proteine sono formate dall’unione di piccole molecole organiche: gli L-α-amminoacidi.
Gli L-α-amminoacidi sono composti organici bifunzionali in quanto presentano un gruppo carbossilico ed uno amminico legati ad un atomo di carbonio detto carbonio α. Ogni amminoacido è identificato da un gruppo caratteristico, detto gruppo R, che, al pari del gruppo carbossilico ed amminico, è unito al carbonio α. I gruppi R sono i responsabile delle proprietà chimiche dell’amminoacido, in quanto possiedono una varietà di dimensioni, carica, forme e reattività proprie. Ad esempio, si ritrovano tioli, alcoli, acidi carbossilici, diversi gruppi basici e carbossammidi. Nelle proteine, dai virus all’uomo, sono incorporati circa 20 differenti L-α-amminoacidi, sebbene occasionalmente possano essere presenti anche D-α-amminoacidi.
Dal legame degli amminoacidi in una caratteristica sequenza lineare, le cellule sono in grado di produrre proteine dotate delle più disparate proprietà ed attività, dagli enzimi alle proteine del cristallino dell’occhio o del veleno di certi funghi. Tutte queste proprietà ed attività derivano dalla sequenza con cui gli amminoacidi sono presenti, sequenza detta catena polipeptidica o struttura primaria, che è unica e geneticamente determinata.
Nel corso della sintesi della proteina il gruppo carbossilico di un amminoacido e quello amminico di un altro amminoacido sono legati covalentemente attraverso una reazione di condensazione, catalizzata da specifici enzimi, reazione nel corso della quale si verifica il rilascio di una molecola d’acqua, a formare un legame peptidico. Dal legame end-to-end di molti amminoacidi si viene a formare lo scheletro polipeptidico della proteina.

Dalla struttura primaria alla funzione delle proteine

Le proprietà e le funzioni delle proteine dipendono ampiamente dalla loro struttura tridimensionale o conformazione.
La catena polipeptidica non è una struttura rigida ed è capace di ripiegarsi spontaneamente a dare una struttura tridimensionale in gran parte determinata proprio dalla sua sequenza aminoacidica.
Il ripiegamento spontaneo della struttura primaria in strutture tridimensionali, passando dalla struttura secondaria e supersecondaria ai domini, ed infine alla struttura terziaria, permette la transizione dal mondo unidimensionale della struttura primaria a quello tridimensionale della proteina. La struttura terziaria delle proteine è detta struttura nativa ed è la forma biologicamente attiva.
Due o più catene polipeptidiche possono associarsi a formare una struttura superiore detta struttura quaternaria, caratteristica ad esempio dell’emoglobina.
Inoltre, proteine differenti possono associarsi a formare “macchine macromolecolari” in grado di svolgere compiti che le singole proteine da sole non sarebbero in grado di portare a termine. Un esempio sono i complessi multienzimatici, come il complesso della piruvato deidrogenasi.

Uno dei sistemi di classificazione delle proteine si basa sulla funzione biologica da esse svolta.
Altri due metodi prendono in considerazione la loro forma e la loro composizione chimica.
Considerando la forma è possibile distinguere:

  • proteine fibrose, come il collagene o l’elastina;
  • proteine globulari, come gli enzimi o i trasportatori ed i recettori di membrana.

Considerando la composizione chimica si possono distinguere:

  • proteine semplici o omoproteine, formate solamente da amminoacidi, come il collagene o l’albumina del plasma;
  • proteine complesse o coniugate o eteroproteine, che contengono nella loro struttura anche una parte non proteica, come le glicoproteine quali la glicoforina, una proteina di membrana dei globuli rossi.

Bibliografia

Berg J.M., Tymoczko J.L., and Stryer L. Biochemistry. 5th Edition. W. H. Freeman and Company, 2002

Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010

Lodish H., Berk A., Zipursky S.L., et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. Section 3.1, Hierarchical Structure of Proteins. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21475/

Kessel A., Ben-Tal N. Introduction to proteins: structure, function, and motion. CRC Press, 2011 doi:10.1002/cbic.201100254

Moran L.A., Horton H.R., Scrimgeour K.G., Perry M.D. Principles of Biochemistry. 5th Edition. Pearson, 2012

Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012

Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011