3.3: Ripiegamento delle proteine

Panoramica

Le proteine sono catene di amminoacidi collegati tra loro da legami di peptidi. Dopo la sintesi, una proteina si piega in una conformazione tridimensionale che è fondamentale per la sua funzione biologica. Le interazioni tra i suoi amminoacidi costitutivi guidano il ripiegamento delle proteine, e quindi la struttura proteica dipende principalmente dalla sua sequenza di amminoacidi.

La struttura delle proteine è fondamentale per la sua funzione biologica

Le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni biologiche come la catalazione delle reazioni chimiche, fornendo difesa immunologica, stoccaggio, trasporto, comunicazione cellulare, movimento e supporto strutturale. La funzione di una proteina dipende principalmente dalla sua capacità di riconoscere e legare altre molecole, analogamente a una serratura e una chiave. Da qui l'attività specifica di ogni proteina dipende dalla sua architettura tridimensionale unica.

Affinché una proteina sia funzionale, deve essere ripiegata con precisione. La maggior parte delle proteine passa attraverso diverse forme intermedie prima di piegarsi nella struttura più stabile e biologicamente attiva. Un incorretto ripiegamento (misfolding) delle proteine ha effetti dannosi sul funzionamento generale della cellula. Nell'uomo, diverse malattie sono dovute all'accumulo di proteine ripiegate in modo non corretto o non ripiegate. Questi includono fibrosi cistica, Morbo di Alzheimer, Parkinson, SLA, e malattia di Creutzfeldt-Jakob.

Determinanti chiave della struttura proteica

Le proteine sono costituite da una o più catene di aminoacidi, chiamati polipeptidi. Un polipeptide è sintetizzato come una catena lineare che si ripiega rapidamente su se stesso per formare una struttura tridimensionale. I termini polipeptide e proteina sono talvolta usati in modo intercambiabile, ma più comunemente, un polipeptide ripiegato che può eseguire una funzione biologica è definito proteina. Una struttura proteica è di solito descritta su quattro livelli: primaria, secondaria, terziaria e quaternaria. La maggior parte dei polipeptidi si ripiegano complessivamente in compatte, strutture terziarie globulari, come l'emoglobina, la proteina che trasporta ossigeno nel sangue. Alcune proteine, come le cheratine, possono formare fibre lunghe che si trovano comunemente nei capelli e nelle unghie.

La sequenza degli amminoacidi nella catena dei polipeptidi è il principale determinante della sua struttura. La sequenza di amminoacidi determina il tipo e la posizione delle strutture secondarie. Inoltre, la struttura terziaria complessiva di una proteina è prevalentemente stabilizzata da legami chimici tra catene laterali di amminoacidi, i gruppi chimici unici che distinguono gli amminoacidi l'uno dall'altro. Queste catene laterali sono caricate positivamente o negativamente, non caricate o non polari.

Gli amminoacidi hanno caratteristiche fisiche e chimiche uniche a seconda dei loro gruppi di catene laterali. Ad esempio, gli amminoacidi polari e carichi interagiscono con l'acqua per formare legami di idrogeno e sono chiamati idrofili; mentre gli amminoacidi non polari evitano le interazioni con l'acqua e sono chiamati idrofobici. Quindi, quando una proteina viene piegata in un ambiente cellulare, le catene laterali di aminoacidi idrofobici sono sepolte nel nucleo della proteina lontano dall'ambiente acquoso, mentre le catene laterali di amminoacidi idrofili sono esposte sulla superficie della proteina.

Gli amminoacidi idrofobici strettamente imballati nel nucleo proteico portano alla formazione di deboli interazioni Van der Waals tra i gruppi di catene laterali. La presenza di queste forze Van der Waals conferisce ulteriore stabilità alla proteina piegata. Gli amminoacidi polari esposti sulla superficie della proteina sono liberi di formare legami di idrogeno con molecole d'acqua o altre catene laterali di amminoacidi polari. Gli amminoacidi caricati positivamente e negativamente sono presenti anche sull'esterno di una proteina dove formano legami ionici con altri aminoacidi vicini e caricati in modo opposto.

I legami disolfuri si formano tra due gruppi sulfidrici, o SH, sulla cisteina degli amminoacidi. Questa è un'interazione molto robusta che agisce come rinforzo sulla proteina piegata. La presenza di legami disolfuri blocca la proteina ripiegata nella sua conformazione tridimensionale più favorevole. Il corretto ripiegamento di una proteina dipende anche da altri fattori dell'ambiente cellulare come pH, concentrazione di sale, temperatura, ecc. L'alterazione delle condizioni fisiche e chimiche in un ambiente proteico influisce sulle interazioni chimiche tenendo insieme la proteina e può causare l'errato piegamento o il non ripiegamento della proteina e perdere la sua funzione biologica, un processo noto come denaturazione proteica.

- [Istruttore] Dopo la formazione

della sua struttura secondaria, una proteina collassa

in una forma globulare terziaria,

una conformazione in 3D unica e individuale

che guida la sua funzione.

In particolare, vengono determinati i modelli di piegatura

da diverse interazioni chimiche.

In primo luogo, la compattezza è governata

mediante idrofobicità dei gruppi laterali degli aminoacidi,

tale che le catene non polari vengono spinte all'interno,

creando un nucleo idrofobico

dall'ambiente acquoso.

Le attrazioni di Weak van der Waals aiutano

mantenere in un nucleo raggrumato.

All'esterno, si trovano principalmente gli amminoacidi

con catene laterali cariche o polari,

libere di interagire con l'acqua.

Catene laterali con cariche opposte possono formare

legami ionici mentre i lati

caricati in modo simile si respingono a vicenda.

Le catene laterali polari possono formare legami a idrogeno,

o con acqua o altre molecole polari.

Infine, fungendo da rinforzo, sono ponti disolfuro.

Questi legami si verificano tra due monomeri di cisteina

adiacenti che contengono solfidrili o gruppi SH,

sulle loro catene laterali.

Lo zolfo su un legame covalentemente al secondo.

La presenza di queste interazioni chimiche

e legami assicura la proteina

nella sua conformazione favorita.