Le proteine

Amminoacidi e legame peptidico

Le proteine sono polimeri formati da amminoacidi. Un $\alpha$-amminoacido ha un carbonio centrale (il carbonio $\alpha$) legato a quattro gruppi: un gruppo amminico $-\mathrm{NH_2}$, un gruppo carbossilico $-\mathrm{COOH}$, un atomo di idrogeno e una catena laterale $R$.

Gli amminoacidi proteici standard sono 20. Si distinguono solo per la catena laterale $R$, che può essere apolare (idrofobica, come in valina o alanina), polare (come in serina) o carica (come nell'acido glutammico, negativo, o nella lisina, positiva).

Due amminoacidi si uniscono con una reazione di condensazione: il gruppo $-\mathrm{COOH}$ del primo reagisce con il gruppo $-\mathrm{NH_2}$ del secondo e si libera una molecola di acqua. Il legame $-\mathrm{CO-NH}-$ che si forma è il legame peptidico.

Una catena di $n$ amminoacidi contiene $n-1$ legami peptidici e, nella sua formazione, si liberano $n-1$ molecole d'acqua. La catena ha un'estremità N-terminale (gruppo amminico libero) e una C-terminale (gruppo carbossilico libero).

Dalla sequenza alla funzione: i livelli di struttura

Una proteina non è una catena qualunque: si ripiega in una forma precisa, e la forma determina la funzione. Si descrivono quattro livelli.

• Struttura primaria: la sequenza degli amminoacidi, scritta dall'estremità N a quella C. È codificata dal DNA (un gene).

• Struttura secondaria: ripiegamenti locali della catena, stabilizzati da legami idrogeno tra il gruppo $\mathrm{C=O}$ di un legame peptidico e il gruppo $\mathrm{N-H}$ di un altro. Le due forme principali sono l'$\alpha$-elica (spirale) e il $\beta$-foglietto (tratti affiancati, a zig-zag).

• Struttura terziaria: la forma tridimensionale complessiva di una singola catena, dovuta alle interazioni tra le catene laterali $R$.

• Struttura quaternaria: l'unione di più catene (subunità) in un'unica proteina funzionale. Esempio: l'emoglobina, con $4$ subunità.

Non tutte le proteine hanno struttura quaternaria: ce l'hanno solo quelle formate da più catene. La mioglobina, per esempio, è una catena singola e si ferma al livello terziario.

Il ripiegamento e la denaturazione

Il ripiegamento (folding) avviene spontaneamente in ambiente acquoso. Le catene laterali apolari tendono a stare lontane dall'acqua e si raccolgono all'interno della proteina globulare (effetto idrofobico), mentre quelle polari e cariche restano sulla superficie, a contatto con l'acqua. La struttura terziaria è stabilizzata da:

• interazioni idrofobiche tra catene apolari nel nucleo;

• legami idrogeno tra catene laterali polari;

• legami ionici (ponti salini) tra catene con cariche opposte;

• ponti disolfuro $-\mathrm{S-S}-$, legami covalenti tra due residui di cisteina.

Sono quasi tutte interazioni deboli: ciascuna da sola è fragile, ma insieme rendono stabile la forma.

La denaturazione è la perdita della struttura secondaria, terziaria (e quaternaria) senza rottura dei legami peptidici: la sequenza resta intatta, ma la proteina si «srotola». Agenti denaturanti sono il calore, i valori estremi di pH, i solventi organici (etanolo), i sali di metalli pesanti e i detergenti.

Perdendo la forma, la proteina perde la funzione. Un enzima denaturato non riconosce più il substrato perché il sito attivo ha cambiato geometria. Nell'uovo cotto, il calore rompe le interazioni deboli; le catene srotolate espongono i tratti idrofobici e si aggregano tra loro, formando una rete opaca e solida (albume bianco). Il processo di solito è irreversibile.

Struttura e funzione: l'emoglobina

L'emoglobina dei globuli rossi è formata da $4$ subunità (due $\alpha$ e due $\beta$); ciascuna contiene un gruppo eme con un atomo di ferro che lega una molecola di $\mathrm{O_2}$. La mioglobina del muscolo è invece una catena singola con un solo eme.

Il legame con l'ossigeno dell'emoglobina è cooperativo: quando una subunità lega $\mathrm{O_2}$, cambia leggermente forma e facilita il legame nelle altre. Per questo la curva di saturazione in funzione della pressione parziale di ossigeno ha forma sigmoide (a S), mentre quella della mioglobina è un'iperbole che sale subito: la mioglobina ha affinità maggiore e cede l'ossigeno solo quando i tessuti ne sono quasi privi, fungendo da riserva nel muscolo. L'emoglobina invece lega bene l'ossigeno nei polmoni (alta $p_{\mathrm{O_2}}$) e lo cede nei tessuti dove la pressione parziale cala: nel tratto ripido della S, un piccolo calo di pressione rilascia molto ossigeno.

L'effetto Bohr: nei tessuti attivi aumentano $\mathrm{CO_2}$ e ioni $\mathrm{H^+}$ (pH più basso). Questi riducono l'affinità dell'emoglobina per l'ossigeno, spostando la curva verso destra: l'ossigeno viene rilasciato proprio dove serve di più.

Quando cambia un solo amminoacido

Nell'anemia falciforme una mutazione puntiforme del DNA (una sola base) nel gene della catena $\beta$ sostituisce un acido glutammico (polare, carico negativamente) con una valina (apolare). La valina espone una zona idrofobica sulla superficie: a bassa concentrazione di $\mathrm{O_2}$ le molecole di emoglobina si attaccano l'una all'altra formando lunghe fibre, che deformano il globulo rosso a falce. Le cellule falciformi sono rigide, ostruiscono i capillari e hanno vita breve. Un solo cambiamento nella struttura primaria altera struttura, funzione e malattia: è la relazione struttura-funzione.

Carica, punto isoelettrico ed elettroforesi

In acqua un amminoacido è uno zwitterione: il gruppo carbossilico cede un protone ($-\mathrm{COO^-}$) e il gruppo amminico lo acquista ($-\mathrm{NH_3^+}$). La carica netta dipende dal pH; per un amminoacido con catena laterale non ionizzabile (se R è acida o basica si aggiunge una carica e i valori cambiano):

• a pH molto basso prevale la forma cationica ($-\mathrm{COOH}$, $-\mathrm{NH_3^+}$): carica $+1$;

• a pH intermedio prevale lo zwitterione: carica netta $0$;

• a pH molto alto prevale la forma anionica ($-\mathrm{COO^-}$, $-\mathrm{NH_2}$): carica $-1$.

Il punto isoelettrico (pI) è il pH al quale la carica netta è nulla. Per un amminoacido con due soli gruppi ionizzabili è la media dei due $\text{p}K_a$:

Perché la media? Lo zwitterione esiste tra i due equilibri di dissociazione; la carica si annulla a metà strada fra i due valori.

Anche le proteine hanno un pI, determinato dalle catene laterali ionizzabili. Nell'elettroforesi le proteine si fanno migrare in un campo elettrico in un tampone a pH fissato: a pH sopra il pI la proteina è negativa e migra verso il polo positivo; sotto il pI è positiva e va verso il negativo; al pI non si muove. Proteine con pI e masse diverse migrano a velocità diverse e si separano.

In sintesi

• Le proteine sono polimeri di $20$ tipi di amminoacidi uniti da legami peptidici (condensazione, si libera $\mathrm{H_2O}$); $n$ amminoacidi danno $n-1$ legami.

• Struttura primaria = sequenza; secondaria = $\alpha$-elica e $\beta$-foglietto (legami idrogeno); terziaria = forma 3D (interazioni idrofobiche, ionici, idrogeno, ponti disolfuro); quaternaria = più subunità.

• La denaturazione distrugge la forma ma non la sequenza, e con essa la funzione (uovo cotto, enzimi).

• Emoglobina: legame cooperativo, curva sigmoide, effetto Bohr; una mutazione puntiforme (anemia falciforme) cambia la funzione.

• Il pI di un amminoacido con due soli gruppi ionizzabili è la media dei due $\mathrm{p}K_a$; l'elettroforesi sfrutta la carica dipendente dal pH.

Vuoi tornare all'uovo? Il calore ha denaturato le proteine dell'albume: la sequenza è rimasta uguale, ma la forma e la solubilità no.