Protidi I protidi sono macromolecole costituite dall unione di amminoacidi tra loro. I protidi, a seconda del numero di amminoacidi che li costituiscono, sono distinti in: oligopeptidi, formati da pochi amminoacidi (da 2 a 10), polipeptidi, formati da non più di 100 amminoacidi, e proteine, costituite da oltre 100 amminoacidi. Protidi Il nome deriva dal greco πρωτεῖος (proteios, che occupa il primo posto). Infatti, potendo assumere diverse conformazioni tridimensionali, i protidi e le proteine in particolare svolgono una gran quantità di funzioni: in pratica non vi è funzione cellulare o dell intero organismo che non veda coinvolta almeno una proteina. Un tipo speciale di proteine sono gli enzimi, che svolgono l importantissima funzione catalitica. 1
Un amminoacido è una molecola che possiede due diversi gruppi funzionali: COOH e NH 2. I due gruppi possono essere legati allo stesso atomo di carbonio o anche a carboni diversi. Dei due, il COOH è il più importante, di conseguenza la posizione dell NH 2 si indica in funzione di esso attraverso l uso di una lettera dell alfabeto greco: α se si lega allo stesso atomo di carbonio di COOH, β se tra i due gruppi c è l intervallo di un atomo di carbonio, γ se ce ne sono due, δ se ce ne sono tre Negli organismi troviamo solo α-amminoacidi. Un α-amminoacido possiede un carbonio chirale: è infatti costituito da un atomo di carbonio al quale sono legati il gruppo carbossilico, il gruppo amminico, un atomo di idrogeno ed un gruppo variabile detto R (da radicale) diverso da amminoacido ad amminoacido. Degli α-amminoacidi esistono quindi le forme L e D. Gli α-amminoacidi possono essere rappresentati con le proiezioni di Fischer. Disponendo il gruppo COOH in alto e il gruppo R in basso, il tipo di configurazione è determinato dalla posizione del gruppo NH 2 che, se si trova a destra, indica la configurazione D, se invece si trova a sinistra, indica la configurazione L. Negli organismi tutti gli amminoacidi hanno configurazione L 2
In teoria potrebbero esistere innumerevoli α-amminoacidi, diversi per la diversa composizione del gruppo R. Tuttavia gli α-amminoacidi che troviamo negli organismi sono solo 20: Fra tutti, tre di essi: la glicina, la cisteina e la prolina, presentano caratteristiche particolari. Il gruppo R della glicina è un atomo di idrogeno, di conseguenza esso è l unico amminoacido a non avere enantiomeri. Ha però il vantaggio che, essendo molto piccola, riesce ad incastrarsi in ristretti spazi liberi, dove un gruppo R più ingombrante non troverebbe spazio. La prolina presenta un gruppo amminico modificato, che forma un legame covalente con un carbonio del gruppo R generando una struttura ad anello. Ciò limita la possibilità di rotazione attorno al carbonio α. Il gruppo R della cisteina presenta un gruppo SH che può reagire con un identico gruppo di un altra cisteina, formando un legame covalente tra i due atomi di zolfo detto ponte disolfuro ( S S ). L unione di due cisteine tra loro attraverso un ponte disolfuro prende il nome di cistina. 3
In soluzione acquosa gli amminoacidi formano ioni dipolari o zwitterioni la cui carica complessiva è 0. Il gruppo carbossilico cede uno ione H + trasformandosi in COO ; mentre il gruppo amminico accetta uno ione H + trasformandosi in NH 3+. Tra la forma non ionica e quella ionica dipolare si stabilisce un equilibrio spostato verso quest ultima. Se la soluzione è basica gli amminoacidi si comportano da acidi: cedono un H + e si trasformano in anioni con carica -1. Se la soluzione è acida si comportano da basi: accettano un H + e si trasformano in cationi con carica +1. È evidente quindi che la carica di un amminoacido è funzione del ph: ad alti valori di ph la carica è negativa, a bassi valori di ph la carica è positiva. Esiste allora un dato valore di ph, detto punto isoelettrico, diverso per ciascun amminoacido, in cui esso ha la forma ionica dipolare e carica complessiva 0. Le differenze di punto isoelettrico si possono utilizzare per separare gli amminoacidi mediante l elettroforesi. Il legame peptidico Tra due amminoacidi si può stabilire un legame ammidico detto legame peptidico. Esso avviene tra il gruppo carbossilico di un amminoacido e il gruppo amminico di un altro attraverso l eliminazione di una molecola di H 2 O: si tratta quindi di una reazione di condensazione. Si forma così un polimero detto polipeptide. 4
Il legame peptidico Il legame peptidico ha una lunghezza intermedia tra un legame singolo e un legame doppio. Ciò è dovuto alla delocalizzazione del doppietto elettronico libero sull atomo di azoto che, per risonanza, dà origine a due formule limite. Per effetto di ciò, il legame peptidico non può ruotare e il dipeptide assume una disposizione planare in cui i gruppi R si trovano alternativamente sopra e sotto il piano. Il legame peptidico Dalla reazione tra due amminoacidi si possono ottenere due dipeptidi che sono isomeri di struttura, a seconda di chi appartenga il gruppo carbossilico e il gruppo amminico che reagiscono. Per convenzione, allora, ogni protide si scrive mettendo a sinistra l amminoacido con il gruppo amminico libero (amminoacido N-terminale) e a destra l amminoacido con il gruppo carbossilico libero (amminoacido C-terminale). Il numero degli isomeri ovviamente aumenta all aumentare del numero di amminoacidi che costituiscono il protide. I protidi possono essere suddivisi negli amminoacidi costituenti mediante una reazione di idrolisi. Le proteine Le proteine sono il gruppo di protidi di gran lunga più impostante. Esse sono suddivise in: semplici, se formate solo da amminoacidi coniugate, se oltre agli amminoacidi e sono presenti uno o più gruppi prostetici: molecole non proteiche, che possono essere un lipide (lipoproteine), un glucide (glicoproteine), un acido nucleico (nucleoproteine) o altri tipi di molecole o atomi metallici. 5
Le proteine Un altra classificazione delle proteine si basa invece sulla forma tridimensionale distinguendo tra proteine fibrose e proteine globulari. Le proteine fibrose hanno una forma allungata e sono in genere insolubili in acqua; sono formate da due o più polipeptidi disposti uno accanto all altro e legati assieme con ponti disolfuro o legami a idrogeno. Le proteine globulari hanno una forma grossolanamente sferica e sono in genere solubili in acqua; sono formate da una o più polipeptidi ripiegati su se stessi in forme più o meno compatte tenute insieme da legami deboli. Le proteine Perché una proteina funzioni occorre che il polipeptide assuma una ben determinata configurazione spaziale. Le proprietà e le funzioni di una proteina infatti non dipendono dalla sua composizione, ma dalla sua struttura tridimensionale. Per questo in una proteina si distinguono ben quattro diversi livelli di organizzazione strutturale. Le proteine 6
Struttura primaria La struttura primaria definisce quanti e quali amminoacidi formano la proteina e l ordine in cui sono legati. Responsabili della struttura primaria sono quindi i legami peptidici. Ogni proteina ha la sua composizione e sequenza specifiche. Per esempio due proteine, l ossitocina e la vasopressina, differiscono solo per due amminoacidi ma svolgono funzioni completamente differenti. Struttura primaria Modificando anche un solo amminoacido si possono dunque ottenere proteine differenti. Accade per esempio nell anemia falciforme, una malattia molto grave in cui l emoglobina è meno capace di traportare l ossigeno perché, essendo cambiato un amminoacido (una valina al posto di un acido glutammico), essa assume una forma che maschera il gruppo eme e impedisce al ferro di legarsi all ossigeno. Struttura primaria Poiché la struttura primaria è dovuta a legami covalenti, alcuni autori includono in essa anche i ponti disolfuro sebbene questi ultimi siano maggiormente responsabili della struttura terziaria. È per questo motivo che è stato introdotto il nome «cistina», considerando quindi due cisteine come un unico amminoacido. 7
La struttura secondaria è definita dalla disposizione spaziale di alcuni segmenti del polipeptide. Essa è determinata da legami a idrogeno che si stabiliscono tra l ossigeno del gruppo carbonile di un amminoacido e l idrogeno del gruppo NH di un altro. La struttura secondaria può presentarsi sotto forma di diverse configurazioni. Le più diffuse sono la configurazione ad α-elica (α-helix) e la configurazione a β-foglietto (β-sheet). L α-elica è caratterizzata da un avvolgimento a spirale in senso antiorario (destrorso). La spirale è molto regolare ed è fatta in modo che ogni 4 amminoacidi i gruppi NH e CO dei legami peptidici risultino allineati in modo da formare legami a idrogeno. La struttura ad α-elica fa sì che i gruppi R, perpendicolari al piano dei legami peptidici, sporgano tutti verso l esterno. Il passo dell elica è di 3,6 residui amminoacidici. La struttura ad α-elica irrobustisce la molecola senza sacrificarne la flessibilità e l elasticità. È quindi molto frequente nelle proteine fibrose come la cheratina, di cui sono fatti i peli e le unghie dei mammiferi e le penne degli uccelli. Altre proteine con elevate sequenze ad α-elica sono il collagene e l elastina. 8
La configurazione a β- foglietto è caratterizzata da più catene polipeptidiche disposte parallelamente l una accanto all altra ma con direzione opposta. Questo tipo di ripiegamento è molto più elastico del precedente: la catena polipeptidica è ripiegata con andamento a zig-zag ed i gruppi R sono perpendicolari al piano formato dai legami peptidici, alternativamente al di sotto e al di sopra di esso. La catena così ha una distanza tra due residui adiacenti molto più distesa: da 1,5 Å dell α-elica a 3,5 Å nel β-foglietto. Così come l α-elica, anch essa è determinata da legami a idrogeno che si stabiliscono tra il COOH e l NH di due catene parallele. Una proteina a β-foglietto ripiegato è la fibroina, costituente principale della seta e della tela del ragno. Un discorso a parte merita la struttura secondaria detta random coil (letteralmente: gomitolo casuale), che non è però una vera e propria struttura. Si definisce così, infatti, la disposizione casuale delle sequenze di amminoacidi. Il random coil è comunque importante perché consente il ripiegamento della proteina (forma come delle «cerniere») e le permette di avere più possibilità di modellamento. 9
Struttura terziaria È il livello strutturale più importante, quello che conferisce alla molecola una struttura tridimensionale complessiva. Responsabili della struttura terziaria sono i legami tra i gruppi R degli amminoacidi. Si tratta in genere di legami deboli tipo Van der Waals o London, ma si trovano anche legami a idrogeno e ponti disolfuro. Oltre alla forma complessiva, la struttura terziaria definisce, nelle proteine di grandi dimensioni, i cosiddetti domini. Si tratta di regioni deputate allo svolgimento di una particolare funzione. Struttura terziaria Data la debole natura in genere dei suoi legami, la struttura terziari si può facilmente perdere. Se questo accade la proteina perde la sua conformazione caratteristica e diviene inattiva; il fenomeno è detto denaturazione. La denaturazione avviene in presenza di temperature anche moderatamente elevate, cambiamenti di ph, presenza di solventi organici (alcoli) e di ioni di metalli pesanti. Una proteina denaturata forma spesso nuovi legami intramolecolari e intermolecolari, rendendo la denaturazione irreversibile: in questo caso si parla di coagulazione. Struttura terziaria Il modo più comune per denaturare una proteina è scaldarla. Basta una temperatura di appena 70 C: la cottura di un uovo denatura irrimediabilmente l albumina. 10
Struttura quaternaria La struttura quaternaria, presente non in tutte le proteine, è definita dall associazione tra loro di due o più catene polipeptidiche, chiamate anche subunità. Una proteina con una tipica struttura quaternaria è l emoglobina, costituita da quattro subunità (globine), due con 141 amminoacidi (subunità α) e due con 146 (subunità β). 11