STRUTTURA PRIMARIA e STRUTTURA SECONDARIA delle PROTEINE : GUIDA DEFINITIVA -Biochimica Lez 8

Ciao a tutti e benvenuti su About Biology. All'interno di questo video inizieremo a parlare delle strutture delle proteine, proteine di cui abbiamo già approfondito all'interno di questa playlist di biochimica. Quindi, se non hai visto i video precedenti, ti consiglio di iscriverti al canale e dare un'occhiata alle schede che ho lasciato in alto a destra. Oggi vedremo, quindi, come si struttura una proteina.

[Musica]

Si può definire, quindi, la struttura di una proteina secondo vari gradi di organizzazione della molecola. I livelli di struttura delle proteine sono quattro. Abbiamo la struttura primaria, ovvero la sua sequenza amminoacidica, lo scheletro covalente costituito dagli amminoacidi che vanno a comporre la catena polipeptidica e che vengono indicati a partire dall'ammino terminale verso il carbossi terminale.

Passiamo poi alla struttura secondaria di una proteina, costituita da unità di struttura ripetitive basate sulla formazione dei legami a idrogeno che si sviluppano sui gruppi CO e NH dei legami peptidici, ma che non riguarda le catene laterali. Questi elementi di struttura ripetitiva possono essere, per esempio, delle alfa eliche o dei foglietti beta.

Abbiamo poi una struttura terziaria, che riguarda il modo in cui la catena polipeptidica si ripiega tridimensionalmente. Questa struttura è stabilizzata da delle interazioni deboli che si realizzano soprattutto tra le catene laterali degli aminoacidi che compongono la catena polipeptidica e un riarrangiamento tridimensionale della catena polipeptidica che può anche contenere degli elementi della struttura secondaria e zone di connessione che assumono una conformazione casuale. E queste particolari forze implicate sono interazioni che riguardano, appunto, le catene laterali degli aminoacidi.

Abbiamo infine una struttura quaternaria, che riguarda la modalità di orientamento delle catene polipeptidiche in una proteina composta da più subunità. Questa, infatti, non è presente in tutte le proteine, ma solo nelle proteine che sono composte da più catene polipeptidiche, dette anche multimeriche, e ciascun componente prende, appunto, il nome di subunità. Ma vediamole adesso tutte nel dettaglio.

Per quanto riguarda la struttura primaria di una proteina, non c'è molto da dire, perché questa è semplicemente definita come la sequenza di aminoacidi che la compone ed è, quindi, il suo scheletro covalente. È importante, però, sapere che la struttura della striscia di aminoacidi che caratterizzano una particolare proteina può determinare il ripiegamento e la funzione della proteina stessa. Infatti, avere delle strutture che differiscono di più aminoacidi in una sequenza può avere un'importanza fondamentale in alcune patologie. L'anemia a cellule falciformi, infatti, è una patologia causata dalla sostituzione di un solo aminoacido nella catena dell'emoglobina.

La struttura primaria ci può anche fornire delle informazioni sull'evoluzione degli organismi. In base a questo confronto, possiamo, infatti, costruire un albero filogenetico studiando, ad esempio, la struttura primaria del citocromo C. Le sostituzioni possono avvenire anche in delle zone in cui queste non causano una modifica importante e, pur cambiando degli aminoacidi, magari una proteina ha sempre la stessa struttura. E basandosi su questo principio, è possibile costruire un albero filogenetico riferito al citocromo C, e questo ci aiuta dal punto di vista evolutivo.

Per quanto riguarda, poi, la struttura secondaria di una proteina, questa è caratterizzata da unità di struttura ripetitive che sono ben riconoscibili e stabilizzate dalla formazione dei legami a idrogeno che si realizzano a carico dei gruppi CO e NH. Tra le strutture secondarie c'è l'alfa elica destrorsa e il foglietto beta. Questi tipi di struttura sono state studiate dai ricercatori Pauling e Corey, tanto che nel 1954 Carl Pauling ottenne il Premio Nobel per la chimica e nel '62 anche quello per la pace con l'operazione sul blocco del nucleare, dando poi un tributo enorme nello studio di queste strutture.

Andiamo a parlare adesso dell'alfa elica, ipotizzata da Pauling. Nelle proteine possiamo trovare delle strutture elicoidali che possono essere destrorse o sinistrorse. La destrorsa si trova in una zona che è permessa dal grafico di Ramachandran, che abbiamo visto nel video precedente. Quindi, se non è ben chiaro questo concetto, ti consiglio di iscriverti al canale e recuperarti i video precedenti. L'elica levogira è, invece, più rara, anche se è comunque permessa e si trova, infatti, nella zona più chiara del grafico di Ramachandran.

Abbiamo visto, sempre nei video precedenti, che tutti gli amminoacidi sono della serie L, ma mettendoli a confronto, gli L aminoacidi si dispongono preferenzialmente a formare un'alfa elica destrorsa. Nel grafico di Ramachandran, gli angoli Fi e Psi di un'alfa elica destrogira si localizzano esattamente in una struttura più stabile rispetto a una levogira. Gli L aminoacidi tendono, quindi, a formare un'alfa elica destrorsa e se uno valuta la stabilità di un'alfa elica composta da D aminoacidi, vedrebbe che questi si dispongono preferenzialmente a formare un'elica sinistrorsa. E dato che si tratta di una struttura ben definita, questi angoli assumeranno dei valori che sono sempre gli stessi e avranno dei valori specifici. E, in particolare, l'angolo di rotazione Fi e Psi si va a trovare nella zona definita dal grafico di Ramachandran.

Abbiamo detto che l'alfa elica è una struttura ripetitiva e, infatti, ha una sua periodicità. Ogni residuo aminoacidico è spostato rispetto al precedente di 0.15 nanometri, spazio occupato da ogni residuo aminoacidico. Ogni residuo aminoacidico forma con quello precedente un angolo di 100 gradi e, facendo un breve calcolo, per ogni giro saranno quindi necessari 3.6 residui. Il passo dell'elica, unità ripetitiva, sarà dato, quindi, da 0.15 nanometri per 3.6 residui necessari per ottenere un giro completo e sarà, quindi, di 0.54 nanometri.

Questa periodicità si ha ogni 3.6 residui e questo ci fa capire come si vanno a formare i legami a idrogeno che vanno a stabilizzare l'alfa elica. Il gruppo CO del legame peptidico formerà un legame a idrogeno con l'NH del legame peptidico di un aminoacido spostato di quattro residui in un'alfa elica. Quindi, i legami a idrogeno sono disposti in modo che il gruppo CO di un legame peptidico formato da un residuo che occupa la posizione N viene a trovarsi vicino al gruppo NH del legame peptidico formato dal residuo che occupa la posizione N+4. Disposizione che permette la creazione di un legame idrogeno molto forte che si instaura tra due legami di ossigeno e di azoto con distanza ottimale tra di loro.

I residui laterali sporgono all'esterno di questa struttura. All'interno dell'alfa elica non si ha un vuoto, ma si hanno i vari atomi che compongono lo scheletro covalente e che hanno una distanza ottimale affinché tra di loro si possano instaurare delle interazioni di van der Waals. Quindi, sappiamo che non abbiamo il vuoto, ma una massima possibilità di interazione tra i vari atomi per stabilizzare la struttura secondaria dell'alfa elica. In più, nella stabilizzazione dell'alfa elica sono molto importanti i legami a idrogeno che si realizzano tra i gruppi NH e CO, mentre sono, invece, trascurabili i residui laterali.

In realtà, però, c'è un'eccezione: anche le catene laterali, in determinate condizioni, possono andare a influenzare le alfa eliche. Vediamo, quindi, in breve, prima di passare ai foglietti beta, quali sono i fattori che influenzano la formazione delle alfa eliche. Se osservo delle catene composte da un unico tipo di aminoacido, per esempio un polipeptide formato esclusivamente da lisina, ovvero la polilisina, o da glutammato, il poliglutammato, in questa situazione, se la lisina presenta una carica positiva, la vicinanza delle cariche positive potrebbe destabilizzare l'alfa elica. La stessa cosa può avvenire per il poliglutammato, che se si presenta carico negativamente, può destabilizzare l'alfa elica.

Un altro fattore è l'ingombro delle catene laterali. Questo può destabilizzare l'alfa elica. Infatti, se ce ne sono tante e sono ingombranti, per esempio per l'isoleucina con una catena ramificata, in una poliisoleucina abbiamo un grande ingombro sterico e quindi questo destabilizza l'alfa elica. Ci sono, poi, degli aminoacidi con una maggiore tendenza a disporsi secondo la conformazione beta. Una poliglicina è più stabile una conformazione beta.

Un altro fattore che va a influenzare la formazione delle alfa eliche è l'impossibilità di rotazione dei legami carbonio alfa azoto. Con la prolina non abbiamo la possibilità di rotazione attorno al legame carbonio alfa azoto, dato che c'è la prolina. Infatti, la catena laterale che si lega all'azoto aminico impedisce la rotazione del legame. Quando è presente la prolina, quindi, l'angolo di rotazione dovrà assumere un valore specifico, che è quello della prolina, e non ci sarà una possibilità di assumere altri valori di rotazione. Quindi, quando è presente una prolina, questa va a interrompere l'alfa elica. E, inoltre, la prolina non può formare legame idrogeno, ma siccome l'alfa elica è stabilizzata da molti altri legami idrogeno, la mancanza di un solo legame idrogeno non è un fattore determinante, ma è molto più determinante il fatto che l'angolo di legame non può adattarsi all'alfa elica.

Quindi, a livello aminoacidico, permettono la formazione dell'alfa elica: alanina, leucina, fenilalanina, tirosina, triptofano, cisteina, metionina, istidina, asparagina, glutamina e valina. Quelli che invece destabilizzano l'alfa elica sono l'isoleucina, l'acido glutammico, l'acido aspartico, la lisina, l'arginina e la glicina. Mentre quelli che rompono l'alfa elica è soltanto la prolina.

Parliamo adesso della configurazione beta. La conformazione beta è una struttura più estesa che dà origine a delle strutture a foglietto dovute al legame peptidico. Le catene laterali di una catena beta sono disposte perpendicolarmente al piano ai lati opposti della struttura. È anche detta conformazione a zigzag. Il passo dell'alfa elica, abbiamo detto, che è composto da 3.6 residui aminoacidici e pari a 5.4 Armstrong. Nella conformazione beta, invece, il passo è costituito da due residui aminoacidici e da una lunghezza di 7 Armstrong. È, quindi, una struttura molto più estesa rispetto all'alfa elica e viene stabilizzata mediante la formazione di legami a idrogeno.

I residui laterali mettono in evidenza la possibilità di formare dei legami a idrogeno sempre tra gruppi NH e CO di catene beta adiacenti. Quindi, queste strutture beta non si formano tra gli aminoacidi adiacenti, ma tra due strutture beta che sono l'una accanto all'altra, unite dal legame idrogeno. Essendo anche questa una conformazione ripetitiva, sarà costituita da valori di Fi e Psi che sono costanti.

La conformazione beta può dare origine a foglietti beta paralleli quando i due segmenti beta affiancati hanno la stessa direzionalità. Infatti, la direzionalità è la stessa per i due foglietti, ammino e carbossi terminale. C'è, però, una leggera differenza per quanto riguarda gli angoli di torsione che sono necessari affinché si abbia la conformazione beta e, inoltre, una diversa disposizione dei legami a idrogeno, che nel caso del foglietto beta parallelo sono distorti, mentre nel caso del foglietto beta antiparallelo sono rettilinei.

I foglietti beta o pieghettati sono formati dai piani sui quali giacciono i legami peptidici e questi foglietti si possono formare tra catene polipeptidiche diverse, ma anche nella stessa catena polipeptidica, basta, infatti, che la catena ritorni su se stessa per avere la formazione di un foglietto beta antiparallelo. I residui aminoacil delle catene laterali sporgono alternativamente al di sopra e al di sotto del piano. Questo spesso si realizza perché ci sono delle strutture particolari che sono dette a forcina o ripiegamenti beta, in cui la catena polipeptidica ritorna su se stessa e questi ripiegamenti beta possono essere di due tipi: di tipo 1 e di tipo 2, composti da quattro residui aminoacidici e stabilizzati dalla formazione di un legame a idrogeno che si va a realizzare tra il primo e il quarto residuo. Sia nel tipo 1 che nel tipo 2, in posizione 2 è presente un residuo aminoacidico, la prolina, dove il legame peptidico assume una configurazione cis. Questo perché la configurazione cis si adatta bene a questo tipo di struttura.

Ma anche nei foglietti beta paralleli, questi possono determinarsi all'interno della stessa catena polipeptidica, ma in questo caso è necessario che la catena polipeptidica dia origine a un loop e torni su se stessa, mantenendo, però, la stessa direzionalità. Un'altra caratteristica dei foglietti beta che ne determina un ulteriore grado di stabilizzazione è che dei foglietti beta possono interagire tra di loro. Questi, infatti, si possono sovrapporre e, sovrapposti, possono essere particolarmente stabilizzati se le catene laterali si integrano le une tra le altre e sono ottimizzate le interazioni di van der Waals tra foglietti sovrapposti.

Nella fibroina della seta, per esempio, si ha una sovrapposizione di foglietti impilati l'uno sull'altro e la struttura viene particolarmente stabilizzata perché si ottimizzano le interazioni di van der Waals tra i residui laterali. Nelle proteine, questi tipi di struttura secondaria possono essere variamente rappresentati. Ci possono essere proteine nelle quali l'alfa elica è presente in modo particolare, come nell'mioglobina e nell'emoglobina, che sono le proteine che legano l'ossigeno. L'mioglobina, infatti, lo lega irreversibilmente e presenta per il 79% della sua struttura un riarrangiamento ad alfa elica, ma invece non sono presenti zone in cui si hanno conformazioni beta. Ma invece l'immunoglobulina G, l'anticorpo, presenta esclusivamente come struttura secondaria la conformazione beta e non presenta alfa eliche.

Bene, per prima cosa ti ricordo di iscriverti al canale. All'interno del prossimo video vedremo la struttura terziaria e quaternaria delle proteine. Per il momento è, quindi, tutto. Grazie per l'attenzione e a presto da About Biology.