Proteine

Le proteine sono composti organici tra i più complessi, costituenti fondamentali di tutte le cellule animali e vegetali. Dal punto di vista chimico, una proteina è un polimero (o anche una macromolecola) costituita da un insieme di 20 diversi monomeri detti amminoacidi spesso in associazione con altre molecole e/o ioni metallici (in questo caso si parla di proteina coniugata). Le proteine hanno una organizzazione tridimensionale (struttura) molto complessa a cui è associata sempre una funzione biologica. Da questa considerazione deriva uno dei dogmi fondamentali della biologia: "Struttura <--> Funzione", nel senso che ad ogni diversa organizzazione strutturale posseduta da una proteina (detta proteina nativa) è associata un specifica funzione biologica. Da questo punto di vista le proteine possono essere classificate in due grandi famiglie: le proteine globulari e le proteine a struttura estesa o fibrosa. Queste due organizzazioni riflettono le due grosse separazioni funzionali che le contraddistinguono. Le proteine estese o fibrose svolgono funzioni generalmente biomeccaniche, esse per es. rientrano nella costituzione delle unghie, dei peli, dello strato corneo dell'epidermide, ecc., opponendo una valida difesa contro il mondo esterno. Al contrario, le proteine globulari sono coinvolte in specifiche e molteplici funzioni biologiche, spesso di notevole importanza per l'economia cellulare, per es. sono proteine gli enzimi, i pigmenti respiratori, molti ormoni e gli anticorpi, responsabili della difesa immunitaria.

Le proteine

Tutte le cellule posseggono una componente proteica il cui peso molecolare può essere molto variabile in funzione del numero di monomeri di cui è costituito il polimero (il peso molecolare medio di un amminoacido è 115). Se la proteina è costituita da poche unità di amminoacidi (in genere non più di 15 ÷ 20) viene definita un oligopeptide. In genere, un oligopeptide non ha una ben definita organizzazione tridimensionale in soluzione ma, essendo molto flessibile, la cambia continuamente. È bene chiarire subito che una proteina nella sua organizzazione nativa, e quindi funzionalmente attiva, può esistere solo in soluzioni saline diluite (molto simili, per composizione, a quelle esistenti nei sistemi acquosi cellulari). La sua struttura dipende esclusivamente dalle caratteristiche chimico-fisiche della soluzione acquosa in cui si trova (pH, presenza di ioni salini, temperatura, pressione, presenza di composti organici come urea, alcoli, ecc.). Il variare di questi parametri può determinare delle modifiche nella struttura (cambi strutturali o conformazionali) che possono alterare le proprietà funzionali, fino ad annullarle (proteina denaturata).

Costituenti elementari

La molecola proteica risulta costituita da carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto; quasi costantemente contiene zolfo e spesso fosforo e metalli come ferro e rame. I costituenti essenziali delle proteine sono gli amminoacidi, legati tra loro dai cosiddetti legami peptidici, per formare catene la cui lunghezza può essere molto variabile, da un centinaio a molte migliaia di amminoacidi.

Gli amminoacidi

La struttura generica degli amminoacidi ordinari è la seguente:

COOH | H-C-R | NH₂

in cui R rappresenta un gruppo specifico di ogni amminoacido. In funzione delle proprietà chimiche di tale gruppo, un amminoacido viene classificato come acido, basico, idrofilo (o polare) e idrofobo (o apolare).

Per formale eliminazione di una molecola di acqua (dato che l'equilibrio della reazione è fortemente spostato a sinistra), il gruppo amminico di un amminoacido può legarsi al gruppo carbossilico di un altro:

H₂N-CH-COOH + H₂N-CH-COOH --> H₂N-CH-CO-NH-CH-COOH + H₂O | | | | R R' R R'

il legame che unisce due amminoacidi, evidenziato in rosso, prende il nome di legame peptidico. Una catena di più amminoacidi legati attraverso legami peptidici prende il nome generico di polipeptide, uno o più polipeptidi, a volte accompagnati da altre molecole ausiliarie, costituiscono una proteina.

L'ingombro dei vari gruppi R che sporgono dalla catena polipetidica, l'affinità reciproca tra gruppi polari e tra gruppi apolari, l'attrazione tra gruppi basici e gruppi acidi sono alcune delle forze che concorrono a modellare la conformazione della proteina nello spazio, conformazione dalla quale dipende in modo essenziale l'attività biologica della proteina stessa.

Gli amminoacidi presenti negli organismi viventi sono numerosissimi ma solo venti di essi (tutti della serie stereochimica L)sono sottoposti al controllo genetico, come conseguenza dei processi evolutivi, e contenuti nelle proteine:

acido aspartico (monoamminodicarbossilico)
acido glutammico (monoamminodicarbossilico)
alanina (monoamminomonocarbossilico)
arginina (diamminomonocarbossilico)
asparagina
cisteina (monoamminomonocarbossilico)
fenilalanina (monoamminomonocarbossilico)
glicina (o glicocolla)
glutammina
isoleucina
istidina
leucina
lisina (diamminomonocarbossilico)
metionina
prolina (iminoacido)
serina (monoamminomonocarbossilico)
tirosina
treonina
triptofano (monoamminomonocarbossilico)
valina

Tra gli amminoacidi non proteici annoveriamo il GABA (acido gamma-amminobutirrico, un mediatore chimico del sistema nervoso), la DOPA (L-diossifenilalanina, precursore dell'adrenalina), ed altri che hanno specifiche e spesso importanti proprietà biologiche.

Le composizione di una proteina dipende dal numero e dal tipo di amminoacidi di cui è formata. Il numero delle combinazioni possibili è enorme, considerando anche che un amminoacido può comparire più volte nella stessa catena polipeptidica. Si comprende così quanto grande possa essere il numero delle diverse possibili proteine che sono state generate dai processi evolutivi che hanno coinvolto (e coinvolgono) tutte le specie viventi esistenti in natura.

Struttura

La proteina può essere paragonata ad una struttura tridimensionale articolata su 4 livelli, in relazione fra di loro.

La struttura primaria è formata dalla sequenza specifica degli amminoacidi, dalla catena peptidica e dal numero stesso delle catene.
La struttura secondaria consiste nella configurazione spaziale delle catene;

ad esempio la conformazione a spirale (o ad alfa elica), mantenuta e consentita dai legami a idrogeno, quella planare (o a foglietto beta), quella a tre filamenti intrecciati (propria del collageno) o quelle globulari appartenenti al gruppo KEMF (cheratina, epidermina, miosina, fibrinogeno).

La struttura terziaria è rappresentata dalla configurazione tridimensionale che la catena polipeptidica assume nell'ambiente in cui si trova, che viene anche consentita e mantenuta anche dalle forze di Van der Waals. Gran parte delle strutture terziarie può essere classificato come globulare o fibrosa. In generale la struttura terziaria deriva dalle interazioni che i gruppi R, idrofobi e idrofili, del polipeptide, hanno con l'ambiente in cui si trovano. Dal punto di vista della termodinamica è la forma con la più bassa energia libera.
La struttura quaternaria è quella che deriva dall'associazione di due o più unità polipeptidiche, unite tra loro da legami deboli (e a volte ponti disolfuro) in un modo molto specifico, come ad esempio avviene nella costituzione dell'enzima fosforilasi, costituito da quattro sub-unità, o dall'emoglobina, la molecola responsabile del trasporto dell'ossigeno nell'organismo.

Le proteine che contengono anche una parte non polipeptidica, gruppo prostetico, sono dette proteine coniugate.

La conformazione spaziale di una proteina è fondamentale affinché questa esplichi la sua attività biologica.

Denaturare una proteina significa distruggerne la conformazione spaziale, rompendo i legami a idrogeno per mezzo di acidi, basi, calore, radiazioni o agitazione (un esempio comune di denaturazione è la cottura di un uovo nel quale l'albumina, che costituisce la maggior parte dell'albume, viene denaturata). Una proteina denaturata, pur mantenendo intatta la sua struttura primaria, non è più in grado di esplicare la sua funzione, a meno che non si riesca a ristabilirne la struttura terziaria.

Proprietà

Le proprietà delle proteine si ricollegano a quelle dei loro costituenti, gli amminoacidi: sono elettroliti anfoteri, possono essere sottoposte ad elettroforesi, sono otticamente attive (levogire) e presentano il fenomeno di Tyndall. Il punto isoelettrico o PI di una proteina è rappresentato da quella concentrazione di idrogenioni del mezzo, che si comporta in modo da far assumere al protide una forma di anfoione. Per ottenere il peso molecolare o PM delle proteine si deve far ricorso a tecniche e metodologie di non sempre facile attuazione. Tra le tante, quella che fornisce i risultati più precisi è senza dubbio la spettrometria di massa.

Classificazione

La classificazione può essere fatta in base alla composizione chimica, alla configurazione molecolare o alla solubilità. Si distinguono così proteine semplici (costituite da soli amminoacidi) e proteine coniugate (costituite da una proteina semplice e da un gruppo prostetico di natura non proteica. Tra le proteine semplici:

proteine fibrose, generalmente insolubili nei solventi acquosi ed a volte inattaccabili dagli enzimi proteolitici
- collageno (costituente essenziale del tessuto connettivo)
- elastina (componente principale delle fibre elastiche e delle pareti vasali)
- cheratina (componente essenziale dell'epidermide)
proteine globose o globurali, solubili in acqua e cristallizzabili
- protamine (di struttura semplice, simile ai peptoni)
- istoni (di struttura semplice, simile ai peptoni)
albumine, assai diffuse nel mondo animale
globuline, insolubili in acqua, si trovano nel sangue, nel muscolo, nei tessuti in genere e nei semi
prolamine, caratteristiche del mondo vegetale.

Tra le proteine coniugate: (costituite almeno da apoproteina+gruppo prostetico)

Emoglobina : Apoproteina + gruppo Eme + Fe
clorofille : Apoproteina + Anello tetrapirrolico + Mg
Opsine : Apoproteina + Retinale

Un'ulteriore suddivisione delle proteine è quella che le distingue in base alla loro funzione.

le proteine strutturali sono componenti delle strutture permanenti dell'organismo ed hanno principalmente una funzione meccanica. Due esempi sono il collagene e l'elastina, presenti nella matrice dei tessuti connettivi.
le proteine di trasporto si legano (in genere con legami deboli) a sostanze poco (o comunque non abbastanza) idrosolubili e ne consentono il trasporto nei liquidi corporei. Comprendono ad esempio le proteine del sangue che trasportano i lipidi e il ferro, nonché l'emoglobina che trasporta l'ossigeno. Molto importanti sono anche le proteine di trasporto delle membrane cellulari, che permettono un passaggio selettivo di molecole idrosolubili e ioni.
le immunoglobuline (dette anche anticorpi) sono proteine che si legano a molecole normalmente non presenti nell'organismo, concorrendo alla difesa dello stesso.
gli enzimi sono proteine catalitiche. Essi accelerano enormemente la velocità di specifiche reazioni chimiche, determinando quali, tra le pressoché infinite reazioni che potrebbero avvenire tra le sostanze presenti, avvengono realmente a velocità apprezzabile. Di fatto, ogni molecola appena un po' complessa presente in un essere vivente è prodotta da enzimi.

Sintesi

Le proteine sono sintetizzate dagli organismi attraverso il processo della sintesi proteica.

A livello industriale e di laboratorio, la sintesi dei polipeptidi può essere condotta per due vie distinte:

Sintesi di Merrifield (o in fase solida): i polipeptidi vengono sintetizzati utilizzando un supporto solido polimerico a cui vengono legati in successione gli amminoacidi, partendo dal primo, che viene solitamente utilizzato opportunamente modificato affinché si leghi alla resina e resti protetto dall'azione dei reagenti utilizzati durante la sintesi del polipeptide.
Sintesi enzimatica: vengono opportunamente utilizzati enzimi capaci di promuovere la formazione o la rimozione di un legame peptidici (chimotripsina, tripsina, elastasi, pepsina, etc.).

Voci correlate

Proteine | Dietologia

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