Le proteine

Le proteine

Le proteine sono le macromolecole più abbondanti delle cellule e sono presenti in tutte le cellule ed in tutti i compartimenti cellulari. Tutte le proteine sono costituite dallo stesso gruppo di 20 amminoacidi, legati tra loro in modo covalente in caratteristiche sequenze lineari. Le cellule possono produrre proteine con proprietà ed attività diverse solo legando tra loro gli stessi 20 amminoacidi, ma in combinazioni ed in sequenze diverse.

Possiamo classificare le proteine in base alle loro funzioni biologiche.

Enzimi, proteine di trasporto (l'emoglobina), proteine di riserva, proteine contrattili o motili (actina, miosina), proteine strutturali, proteine di difesa (anticorpi), proteine regolatrici (ormoni, come insulina), e altre proteine.

I venti amminoacidi standard non sono mai presenti nelle proteine in quantità uguali, alcuni amminoacidi possono essere presenti in una sola copia o addirittura assenti in una proteina, altri invece possono essere largamente presenti. Molte proteine contengono soltanto amminoacidi, altre invece contengono oltre gli amminoacidi altri gruppi chimici. Queste proteine sono chiamate proteine coniugate. La parte non amminoacidica della proteina coniugata è detta gruppo prostetico, e sono classificate in base ad esso.

Per esempio abbiamo le lipoproteine che contengono lipidi, le glicoproteine che contengono gruppi saccaridici e le metalloproteine che contengono uno specifico metallo.

Le proteine possono essere separate e purificate, i metodi usati per separare le proteine sfruttano le proprietà come carica, dimensioni e solubilità. Le cellule devono essere rotte in modo da rilasciare le proteine in una soluzione chiamate estratto grezzo. Una volta che è stato preparato l'estratto grezzo si utilizzano i vari metodi d'analisi. La cromatografia a scambio ionico può essere utilizzata per separare proteine con cariche diverse, altri metodi cromatografici sfruttano invece differenze nelle dimensioni e affinità di legame e solubilità. Un altro metodo utilizzato per separare le proteine è l'elettroforesi, che si basa sulla migrazione di macromolecole cariche in un campo elettrico. Questa tecnica è in grado di stabilire il numero di proteine presenti nella miscela, e il grado di purezza di quella particolare preparazione proteica, permette di valutare anche alcune proprietà delle proteine come la massa molecolare approssimata (sodio dodecil solfato).

L'interazione anticorpo - antigene viene usata per quantificate e localizzare le proteine. Le molecole anticorpali prodotti dalle cellule β e dalle plasma cellule, compaiono nel siero sanguigno o in alcuni tessuti di animali vertebrati in risposta all'iniezione di un antigene, una proteina o un'altra macromolecola estranea all'animale trattato.

Ogni proteina estranea innesca la formazione di un gruppo diverso di anticorpi che si possono combinare con l'antigene generando un complesso antigene - anticorpo. La produzione di anticorpi da parte dell'organismo è un meccanismo di difesa chiamato risposta immunitaria. Gli anticorpi sono proteine a forma di Y costituite da quattro catene polipeptidiche.

Esse hanno due siti di legame complementari alle caratteristiche strutturali della molecola dell'antigene, che forma un reticolo tridimensionale composto da un'alternanza di molecole di antigene e di anticorpo.

Lo scheletro covalente delle proteine è costituito da centinaia di legami, ogni proteina ha una specifica funzione chimica o strutturale. L'organizzazione spaziale degli atomi in una proteine viene detta conformazione, uno stato strutturale che può, senza rompere nessun legame covalente, interconvertirsi in un altro stato strutturale. Una variazione della struttura può avvenire, mediante una rotazione intorno a legami singoli.

Nelle proteine vi sono quattro livelli di organizzazione strutturale:

La struttura primaria comprende tutti i legami covalenti tra gli amminoacidi e viene normalmente definita come la sequenza degli amminoacidi uniti da legami peptidico e la posizione dei ponti disolfuro;

La struttura secondaria si riferisce  a organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio, dei residui amminoacidici adiacenti di una catena polipeptidica. Vi sono alcuni tipi di struttura secondaria e i più rappresentari sono l'α elica e la β struttura;

La struttura terziaria si riferisce alla relazione spaziale tra tutti gli amminoacidi di una catena polipeptidica;

La struttura quaternaria riguarda le proteine a più catene polipeptidiche, e si riferisce alle relazioni spaziali tra i polipeptidi o le subunità all'interno di una proteina.

L'α elica è una struttura secondaria comune a molte proteine. Lo scheletro del polipeptide è strettamente arrotolato intorno all'asse longitudinale della molecola e le catene laterali dei residui amminoacidici sporgono verso l'esterno dello scheletro elicoidale.

Nelle forme più comuni di α elica l'avvitamento è destrorso, ma sono state osservate anche alcune varianti sinistrorse.

La struttura è resa stabile da legami d'idrogeno tra l'atomo d'idrogeno legato all'atomo d'azoto elettropositivo di ogni legame peptidico, e l'atomo carbonilico elettronegativo del quarto residuo amminoacidico successivo.

La conformazione β organizza le catene polipeptidiche in foglietti. Nella conformazione β, lo scheletro della catena polipeptidica è esteso con un andamento a zig zag invece che elicoidale. Le catene polipeptidiche a zig zag sono disposte l'una a fianco dell'altra formando una struttura che ricorda una serie di pieghettature; essa viene chiamata anche foglietto ripiegato. Tutti i legami peptidico partecipano alla formazione di legami idrogeno e i gruppi R di residui amminoacidici adiacenti sporgono al di fuori della struttura , alternativamente da una parte o dall'altra, creando una tipica organizzazione sfalsata.

La struttura terziaria di una proteina definisce la posizione di tutti i suoi atomi nello spazio tridimensionale. Un esempio di struttura terziaria è la mioglobina. La mioglobina è una proteina relativamente piccola che lega l'ossigeno alle cellule muscolari. La mioglobina si compone di una singola catena polipeptidica. La proteina contiene un gruppo ferro-porfirinico, chiamato eme, identico a quello dell'emoglobina. Il gruppo eme conferisce il colore rosso intenso alle due proteine. Lo scheletro della molecola della mioglobina è costituito da otto segmenti relativamente compatti di α eliche, interrotte da ripiegamenti. La stabilità della struttura dipende in gran parte da interazioni idrofobiche. La maggior parte dei gruppi R idrofobici sono all'interno della molecola di mioglobina, lontani dal contatto con l'acqua. Tutti i gruppi R polari, meno due, sono localizzati sulla superficie della molecola. Il gruppo eme relativamente piatto è confinato in una infossatura o tasca della molecola della mioglobina. L'atomo di ferro posto nel centro del gruppo eme ha due legami. Uno di questi si lega al gruppo R di un residuo di Isoleucina, l'altro è il sito in cui si lega la molecola d'ossigeno.

Alcune proteine contengono due o più catene polipeptidiche separate, chiamate subunità, che possono essere identiche o diverse. Per esempio l'emoglobina, che trasporta l'ossigeno negli eritrociti, ha questa caratteristica. La disposizione delle proteine e delle subunità proteiche in complessi tridimensionali costituisce la struttura quaternaria. Le interazioni tra le subunità sono interazioni multiple non covalenti. L'emoglobina contiene quattro catene polipeptidiche e quattro gruppi prostetici eme, in cui gli atomi di ferro sono allo stato ferroso (Fe  ). La parte proteica, chiamata globina, è costituita da due catene α e da due catene β. α e β non si riferiscono in questo caso alle strutture secondarie delle proteine. Le catene α e β contengono molti segmenti ad α elica separati da ripiegamenti e la loro struttura terziaria è molto simile a quella della proteina monomerica mioglobina. Il gruppo eme è parzialmente immerso in una tasca rivestita di catene laterali amminoacidiche idrofobiche ed è legato alla sua catene polipeptidica mediante un legame di coordinazione tra atomo di ferro e il gruppo R di un residuo di Isoleucina.

Il modo per dimostrare l'importanza di una specifica struttura di una proteina per la sua funzione biologica è quello di alterare la struttura e stabilirne l'effetto sulla funzione.

Un tipo di alterazione estrema è la perdita totale della organizzazione tridimensionale, con assunzione di strutture casuali; questo processo si chiama denaturazione. Le proteine possono denaturarsi non soltanto con il calore, ma anche con pH estremi, con certe miscele di solventi organici come determinati detergenti. Comunque alcune proteine globulari denaturate con il calore, con pH estremi o con reagenti denaturanti possono riacquistare la loro struttura nativa e la loro attività biologica, un processo chiamato rinaturazione, se vengono riportate nelle condizioni in cui la conformazione nativa è stabile.