Biologia 16 – Biochimica strutturale – Proteine ed enzimi Amminoacidi Sono molecole formate da un carbonio centrale (detto C

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Amminoacidi

Sono molecole formate da un carbonio centrale (detto C

) ibridato sp

legato a:

 Un atomo di idrogeno

 Un gruppo carbossilico

 Un gruppo amminico

 Una catena variabile detta R che differenzia i vari amminoacidi. È questa che dà ad ogni amminoacido le sue proprietà chimiche.

R può essere:

 Non polare (es.: alanina): in questo caso, gli

amminoacidi saranno idrofobici e tenderanno, nelle proteine, a stare all’interno, minimizzando i contatti con l’acqua e interagendo tra di loro attraverso interazioni idrofobiche.

 Aromatica (es.: fenilalanina): si tratta di amminoacidi complessi, formati da uno o più anelli derivati dal benzene

 Polare (es.: serina): sono gli amminoacidi solitamente più esterni e interagiscono con l’acqua grazie a gruppi funzionali polari terminali (-OH, -SH, -CONH

)

 Carica positivamente (es.: lisina): sono amminoacidi che donano una carica positiva alle proteine. Dato che hanno un protone in più, sono usati negli enzimi per donare protoni ai substrati in varie reazioni (comportamento basico)

 Carica negativamente (es.: aspartato): sono amminoacidi che donano una carica negativa alle proteine. Dato che hanno un protone in meno, sono usati negli enzimi per togliere protoni ai substrati in varie reazioni (comportamento acido).

In totale gli amminoacidi sintetizzati dal codice genetico sono 20 + 2 rari (prodotti solo da alcuni microorganismi).

Gli esseri umani producono solo 11 di questi amminoacidi. Gli altri 9 sono detti essenziali perchè bisogna per forza assumerli dall’alimentazione.

Gli amminoacidi esistono sia in forma L- che in forma D-. Negli esseri umani, sono presenti quasi esclusivamente L-amminoacidi.

Proteine

Legame peptidico

Gli amminoacidi si uniscono tra loro formando legami peptidici tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro, con formazione di una funzione ammidica.

Una volta inseriti nella proteina, non si parla più di amminoacidi, ma di residui.

Il legame peptidico è un legame in cui gli elettroni sono in risonanza (come gli elettroni del benzene). Per questo, esso non è né un legame semplice, né uno doppio, ma una via intermedia tra i due.

Classificazione

Esistono vari criteri per la classificazione delle proteine; quello più semplice prevede la suddivisione in:

 Proteine semplici: sono formate da una singola catena polipeptidica. Esempi di proteine semplici sono vari ormoni, tra cui l’ossitocina (nove residui).

 Proteine multisubunità: sono formate da due o più polipeptidi associati in maniera non covalente. A loro volta, le proteine multisubunità si dicono oligomeriche se hanno almeno due subunità identiche tra di loro. Un esempio è l’emoglobina, che presenta quattro subunità uguali a due a due.

 Proteine con due o più catene unite covalentemente. Sono rare. La più importante è l’insulina, in cui

sono presenti due catene unite da ponti disolfuro

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 Proteine coniugate: sono formate da una parte proteica e da un gruppo non proteico, detto gruppo prostetico.

Ne sono un esempio le glicoproteine, i glucosaminoglicani, le lipoproteine, le emoproteine (emoglobina, mioglobina, citocromi), le metalloproteine, le fosfoproteine e le ribonucleoproteine.

Struttura

Una proteina si organizza in diversi livelli strutturali, acquisendo nuove proprietà ad ogni livello:

 Primaria: successione degli amminoacidi che la formano. Quando si indica la struttura primaria, si parte dall’estremità N – terminale.

 Secondaria: si viene a formare tra amminoacidi non contigui attraverso dei legami idrogeno.

Esistono diversi tipi di strutture secondarie. I più importanti sono:

 α-elica. Si tratta di una struttura in cui gli amminoacidi si avvolgono a formare una struttura a “scala a chiocciola”.

Nell’α-elica, gli amminoacidi si dispongono con i gruppi R all’esterno e formano dei legami idrogeno in ogni giro dell’elica. Questi legami sono essenziali per la stabilizzazione della struttura.

Esistono α-eliche destrorse o sinistrorse a seconda della direzione di avvolgimento.

Si possono ottenere α-eliche sia da L-amminoacidi che da D-amminoacidi; tuttavia, per motivi strutturali, un α-elica ha tutti gli amminoacidi di uno stesso tipo.

Un particolare tipo di α-elica è quella del collagene, che è sinistrorsa e presenta delle differenze strutturali per le quali viene considerata una struttura secondaria a se stante.

 β-conformazione. Si tratta di una struttura in cui gli amminoacidi si dispongono a zig-zag.

Più conformazioni β possono interagire tra di loro tramite legami idrogeno e formare i foglietti β.

I foglietti β, a differenza delle α-eliche, possono contenere anche amminoacidi molto distanti tra di loro nella struttura primaria, ma che si trovano ad essere vicini grazie al ripiegamento che la proteina assume.

I gruppi R si dispongono perpendicolarmente al piano del foglietto.

 Terziaria: è data dalle interazioni a lungo raggio tra strutture secondarie. Queste interazioni possono essere di vario tipo: interazioni polari, legami ionici, ponti disolfuro, ma soprattutto interazioni idrofobiche.

La struttura terziaria presenta regioni separate e ben distinte chiamate domini.

Ogni dominio ha identità funzionale e strutturale; svolge una particolare funzione e continua a funzionare qualora venga staccato (per idrolisi o altro) dal resto della proteina.

Ripiegamenti sbagliati delle proteine possono avere effetti patologici. Un esempio è il prione della mucca pazza. Si tratta di una proteina mal ripiegata che induce anche le proteine ripiegate correttamente ad assumere una forma più instabile. A livello clinico, questo si traduce in una distruzione diffusa del tessuto cerebrale, con conseguenze gravi sull’organismo.

 Quaternaria: non è necessariamente presente in tutte le proteine. Si tratta dell’unione di più

struttre terziarie. È tipica delle proteine formate da più subunità come l’emoglobina.

Biologia 16 – Biochimica strutturale – Proteine, enzimi 3 Denaturazione

Una proteina, esposta al calore o a particolari agenti chimici, può perdere la sua struttura terziaria e tornare alla struttura primaria. Questo processo prende il nome di denaturazione.

La denaturazione è un processo solitamente reversibile: una volta eliminato l’agente denaturante, la proteina tende spontaneamente a riassumere la sua conformazione originaria.

Ciò vuol dire che i gruppi laterali degli amminoacidi sono essenziali per la struttura tridimensionale (e quindi funzionale) della proteina e che sono in grado di rigenerarla anche dopo averla persa, prediligendo solo alcune conformazioni piuttosto che tutte quelle possibili.

Enzimi

Gli enzimi sono proteine che hanno la capacità di accelerare (= catalizzare) una reazione (da 10 volte più veloce fino a cento miliardi di volte più veloce).

Ciò avviene grazie all’abbassamento dell’energia di attivazione della reazione (per ulteriori dettagli, si veda “Biologia 07”).

Esistono vari classi di enzimi. Tra le più importanti ci sono:

 Ossidoreduttasi: catalizzano reazioni di trasferimento di elettroni.

 Transferasi: trasferiscono gruppi funzionali

 Idrolasi: trasferiscono gruppi funzionali all’acqua, togliendoli al substrato (idrolisi)

 Isomerasi: trasferiscono gruppi all’interno di una molecola per formare isomeri Gli enzimi possono essere attivati o disattivati a seconda delle necessità metaboliche.

Esistono due tipi di regolazioni enzimatiche:

 Le regolazioni allosteriche, che sono basate su una molecola chiamata effettore allosterico che lega un sito regolatore del’enzima e lo regola di conseguenza.

Un esempio è costituito da tutti quegli enzimi che sono inibiti dal proprio prodotto: quando il prodotto è in eccesso, è molto alta la probabilità che legherà il sito inibitorio dell’enzima che lo ha generato.

 Le regolazioni covalenti sono più drastiche e sono basate sull’aggiunta o la rimozione stabile di un

gruppo funzionale all’enzima. Un esempiò è l’aggiunta di un gruppo fosfato (fosforilazione), o la sua

rimozione (defosforilazione), l’aggiuntta di una ubiquitina (ubiquitinazione), l’aggiunta di un metile

(metilazione), ecc ...