LA STRUTTURA PROTEICA

Struttura e funzione delle proteine

 

 

Le proteine sono le biomolecole più abbondanti negli organismi viventi, rappresentando più del
50% del peso secco di animali e batteri.

Tutte le proteine sono polimeri di venti tipi diversi di alfa-amminoacidi e differiscono tra loro per
il numero, la composizione e la sequenza degli amminoacidi.
Gli amminoacidi sono uniti tra loro mediante il legame peptidico che si stabilisce tra il gruppo
amminico ed il gruppo carbossilico di due amminoacidi adiacenti.

Classificazione delle proteine

Le proteine possono essere classificate in in:

1.     Proteine semplici se costituite solo da amminoacidi.

2.     Coniugate se alla proteina è legato un gruppo non proteico, indicato con il termine di
gruppo prostetico; a loro volta le proteine coniugate in base alla natura chimica del gruppo
prostetico sono distinte nelle seguenti classi:

    Glicoproteine, se il gruppo prostetico è uno zucchero.
    Lipoproteine, se è un lipide.
    Nucleoproteine , le proteine sono complessate con acidi nucleici.
    Emoproteine, la frazione non proteica è il gruppo eme, in questo caso l’esempio ci è dato
       dall’emoglobina
    Metallo proteine, contenenti ioni metallici.
    Fosfoproteine, il gruppo prostetico è l’ acido fosforico.
    Flavoproteine , i gruppi prostetici sono i nucleotidi flavinici.

Livelli di organizzazione strutturale delle proteine

Alla grande  varietà di funzioni delle proteine corrisponde una grande varietà di strutture
tridimensionali. Ogni  proteina presenta diversi livelli di organizzazione che si integrano
originando la sua conformazione tridimensionale specifica (proteina allo stato nativo).

Vediamo quali sono questi livelli si organizzazione:

Struttura primaria: è data dalla sequenza amminoacidica nella catena polipeptidica.
 

 

Struttura secondaria: interessa tratti più o meno lunghi della catena polipeptidica. La catena
polipeptidica assume nello spazio una disposizione regolare e ripetitiva. Questa disposizione
regolare e ripetitiva è stabilizzata da legami …H… tra il gruppo –NH- di un legame peptidico e il
gruppo –CO-  di un altro.
Le due principali strutture secondarie sono l’alfa-elica (Fig. 1) e la struttura a foglietto beta (Fig.2).
 
 

 Fig. 1 Fig.2

 

Nella struttura ad alfa-elica i gruppi NH e CO di un segmento polipeptidico formano legami H originando un giro destrorso di circa quattro amminoacidi.
 

Nel foglietto beta diversi segmenti della catena polipeptidica,che hanno una disposizione distesa sono paralleli tra loro. La struttura è stabilizzata da legami idrogeno tra i gruppi NH e CO di segmenti adiacenti. L’affiancamento di diversi segmenti della catena polipeptidica dà origine a strutture indicate con il termine di foglietti beta(beta sheet) ondulati  a causa degli  angoli di legame. 

Struttura terziaria: è data dalla combinazione di più regioni ad alfa-elica e/o beta-foglietto collegate tra loro da segmenti che formano delle anse, le regioni ad ansa. Le regioni ad ansa costituiscono in genere il sito funzionale della proteina: il sito attivo di un enzima o il sito di legame  di una proteina di trasporto o di un anticorpo.
Poiché la funzione di una proteina è correlata alla sua conformazione tridimensionale, sono utilizzati dei simboli convenzionali per le strutture secondarie che permettono una rappresentazione semplificata della forma della proteina; questi simboli sono cilindri e nastri attorcigliati per le a-eliche, frecce per le strutture b e stringhe irregolari per le regioni ad ansa.
La struttura terziaria è stabilizzata da legami secondari che si stabiliscono  tra le catene laterali degli aminoacidi; in alcune proteine abbiamo un legame covalente, il ponte disolfuro (¾S¾S¾), che si stabilisce fra due gruppi sulfidrile (¾SH) di due catene laterali di cisteina.

Esempi struttura terziaria di alcune proteine. Le zone ad  alfa-elica sono rappresentate da tratti a spirale; le zone a struttura beta da frecce e le regioni ad ansa da nastri irregolari.

Le proteine presentano dei motivi strutturali dati dalla combinazione di strutture secondarie
consecutive.
I motivi strutturali si riscontrano in proteine diverse dove hanno un significato funzionale
analogo.
Più motivi strutturali  formano un complesso compatto e stabile, il dominio o modulo di una
proteina.
I domini possono essere formati interamente da alfa-eliche (dominio tutto alfa), interamente da foglietti-beta (dominio tutto beta) o da un insieme di alfa-eliche e beta-foglietti (dominio alfa/beta).

Struttura quaternaria: la proteina è formata da più catene polipeptidiche (subunità)unite  con lo stesso tipo di legami che stabilizzano le struttura terziaria. Per esempio l’Hb  è un tetramero formato da due subunità identiche alfa e due beta disposte simmetricamente.

La proteina completa dell’emoglobina è formata da quattro catene polipeptidiche ripiegate. I gruppi eme sono strutture non proteiche attaccate alle catene polipeptidiche e contenenti atomi di ferro che legano e trasportano ossigeno.
 

Le proteine sono dette globulari se  la catena  le catene polipeptidiche, nel casso fosse formata
da più subunità, si ripiega  assumendo una forma sferoidale , come nel caso dell’emoglobina. Sono chiamate proteine fibrose se assumono una forma allungata. Esempi sono la cheratina, presente nello strato corneo dell’epidermide ed il collagene.
 

Funzioni delle proteine

La funzione di una proteina, strettamente legata alla sua conformazione tridimensionale, dipende
dalla interazione con altre molecole: per esempio gli anticorpi si legano a virus o batteri, l’esochinasi lega il glucosio e l’ATP, le molecole di tropocollagene si aggregano in  fibre di maggior diametro.
La sostanza che si lega alla proteina è detta ligando e la regione specifica della proteina che
aderisce ad esso si chiama sito di legame.
Le interazioni tra  sito di legame e ligando sono di tipo sterico: interazioni tra forme complementari.
Il legame sito di legame/ligando dipende da legami deboli (legami idrogeno, forze di Van der Waals).
È evidente che variazioni, anche minime, nella struttura primaria di una proteina alterano la sua
forma tridimensionale (in quanto modificano le interazioni tra gli amminoacidi) compromettendone la  funzionalità.
L’attività biologica di molte proteine (enzimi, recettori, proteine del citoscheletro) è regolata in
risposta a stimoli differenti, così da adattarla alle esigenze della cellula.

Meccanismi che regolano l’attività biologica delle proteine

Esistono due tipi di meccanismi che regolano l’attività biologica delle proteine:

   1.     Regolazione allosterica

   2.     Regolazione per modificazione covalente
 

1.    Regolazione allosterica

Le proteine  esistono in due forme: una attiva e l’altra inattiva.
Il passaggio da una conformazione all’altra è detto transizione allosterica.
Questo passaggio si verifica quando la proteina si combina reversibilmemte con un’altra molecola: l’effettore allosterico, che può avere un’azione attivante o inibitrice a seconda dei casi.
La regione proteica che si lega all’effettore è il sito allosterico, ed è distinta dal sito attivo
responsabile dell’attività biologica della proteina.
Il legame tra sito allosterico ed effettore è funzione della concentrazione di quest’ultimo: se la
concentrazione è bassa, la probabilità che incontri e si leghi al sito allosterico è minima.
Aumentando la concentrazione maggiore è la probabilità d’incontro.
Il legame tra attivatore e sito allosterico di una proteina inattiva ne modifica la conformazione in
modo che il sito attivo assume la forma complementare al substrato sul quale agisce.
Il legame dell’inibitore con il sito allosterico di una proteina attiva induce una modificazione
conformazionale che fa perdere al sito attivo la complementarietà col ligando.
 

2.     Regolazione per modificazione covalente

Le proteine regolate  esistono in due conformazioni, una attiva ed una inattiva.
Il passaggio da una forma all’altra avviene  mediante un legame covalente con un determinato
gruppo chimico (un fosfato, un nucleotide, un gruppo acetile,…).
Perché si formi il legame è necessario l’intervento di uno specifico enzima.
Questo legame è stabile per cui la proteina rimane attiva, od inattiva, finchè una seconda
reazione chimica non rompe il legame tra gruppo regolatore e proteina.
Anche questa seconda reazione richiede la presenza di uno specifico enzima. La regolazione per
modificazione covalente  si  basa per esempio su reazioni di fosforilazione/defosforilazione
delle proteine.
La fosforilazione a seconda della proteina può attivare o inibire la sua attività biologica.
La reazione consiste nel trasferimento da un donatore, l’ATP, alla proteina di un fosfato, con
formazione di un legame estereo.
Gli enzimi che catalizzano questa reazione sono le proteinchinasi .
La reazione di distacco del fosfato è un’idrolisi dell’estere ed è mediata dalle proteinfosfatasi.
 

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