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Proteine: si piegano ma non si spezzano

In un mondo dove tutti i sistemi sono legati ad un aumento del loro stato di disordine, le proteine sono le molecole più ordinate ed eleganti del mondo biologico. La loro struttura è frutto di un tanto raffinato quanto complesso procedimento che avviene quotidianamente nelle nostre cellule.

Come sono fatte le proteine?

Le proteine sono, per definizione, macromolecole polimeriche. Infatti, sono molecole grandissime e composte da centinaia di piccole unità legate saldamente tra loro: queste unità sono chiamate aminoacidi. Tra i numerosi aminoacidi esistenti in natura, solo venti di questi partecipano alla costruzione delle proteine: essi si dividono in aminoacidi essenziali, cioè che possono essere assimilati solo con l’alimentazione, e aminoacidi non essenziali che, invece, possono essere sintetizzati dal nostro organismo.

Per l’uomo solo nove aminoacidi sono essenziali.

Gli aminoacidi hanno una struttura chimica molto particolare, in quanto presentano un gruppo acido ad un’estremità e un gruppo basico nell’altra estremità. Questi due gruppi sono separati tra loro da un atomo di carbonio centrale a cui sono legati un atomo di idrogeno e una catena laterale, generalmente composta da atomi di carbonio, diversa per ogni aminoacido. Questa catena può essere apolare, cioè incapace di interagire con le molecole di acqua, polare, capace di interagire con l’acqua, oppure elettricamente carica.

Quest’ultimo caso si presenta quando, nella catena laterale, oltre agli atomi di carbonio, si presentano altri gruppi funzionali, come quello carbossilico (-COOH) e o quello aminico (-NH2).

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Il gruppo acido di un aminoacido può reagire con il gruppo basico di un altro aminoacido formando un legame fortissimo, chiamato legame peptidico. Una sequenza lineare di aminoacidi uniti tra loro tramite legami peptidici forma la struttura primaria di una proteina.

In una sequenza primaria, alcuni gruppi polari non appartenenti alle catene laterali degli aminoacidi possono interagire tra loro, mediante legami idrogeno, connessioni deboli, ma estremamente flessibili, per dare maggiore stabilità alla molecola. È da queste interazioni che nascono le strutture secondarie delle proteine. Esse sono essenzialmente di due tipi: l’alfa-elica e il beta-foglietto.

Ma non basta: più strutture secondarie possono interagire tra loro attraverso le catene laterali degli aminoacidi che le compongono per formare un dominio, o struttura terziaria. Il dominio è un elemento funzionale della proteina dotato di una propria struttura e finalizzato ad un’attività biologica. È possibile che una proteina sia composta da più domini tra essi collegati: in questo caso si parla di struttura quaternaria.

Questa gerarchia strutturale nelle molecole proteiche ha un ruolo essenziale: oltre a garantirne il corretto funzionamento, mette la proteina in una condizione di alta stabilità, in quanto il livello energetico della molecola è al minimo. Solitamente, le proteine sono costruite in modo da avere un nucleo fortemente idrofobico, in cui si concentrano gli aminoacidi con una catena laterale apolare, e una superficie esposta idrofila, dove gli aminoacidi sono prevalentemente polari. Nel nucleo idrofobico le catene laterali apolari degli aminoacidi si “impacchettano” tra loro per evitare l’ingresso di qualsiasi altra molecola. Esistono tuttavia delle molecole che rimangono cave al loro interno, come le proteine canale: in queste strutture troviamo aminoacidi polari anche all’interno della molecola, che delimitano una regione attraversabile da altre molecole più o meno grandi.

Come vengono prodotte le proteine?

Il processo che porta alla sintesi delle proteine, nelle nostre cellule, parte dal nucleo e, più precisamente, dal DNA (acido deossiribonucleico). Ogni aminoacido è codificato da una o più triplette di nucleotidi, definite codoni, che formano la catena di DNA. Il codice genetico è composto da quattro lettere fondamentali: A (adenina), T (timina), C (citosina), G (guanina). Queste 4 lettere si possono disporre in 64 codoni differenti: 61 codificano per i 20 aminoacidi mentre 3 sono i cosiddetti codoni di stop, triplette che non codificano per nessun aminoacido.

Ma come è possibile che 20 aminoacidi siano codificati da 61 codoni differenti?

Questo è possibile perché il codice genetico è degenerato, ossia più codoni possono codificare per un medesimo aminoacido (salvo rare eccezioni come il triptofano, che è codificato da un unico codone). Ad esempio, i codoni AUU, AUC e AUA codificano tutti per l’aminoacido isoleucina.

La molecola di DNA non può lasciare il nucleo: essa viene quindi trascritta in una molecola di RNA (acido ribonucleico) messaggero, che può abbandonare il nucleo e dirigersi verso le centraline deputate all’assemblaggio delle proteine, che sono i ribosomi. È nei ribosomi, infatti, che il codice riportato dall’RNA (e, quindi, dal DNA) viene tradotto in proteina: il ribosoma riconosce i codoni riportati dall’RNA e li usa come base per prelevare aminoacidi dal citoplasma, per poi assemblarli in una proteina. Il procedimento continua finché il ribosoma non incontra un codone di stop. A questo punto tutta la struttura si disassembla e la proteina neoformata viene liberata nel citoplasma.

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Dalla sequenza alla proteina matura.

Come accennato prima, una sequenza primaria è molto instabile: infatti essa presenta dei gruppi apolari che non possono stare a contatto con l’ambiente cellulare, che è ricco di acqua.

Per questo motivo la proteina deve immediatamente ripiegarsi su se stessa per isolare questi gruppi apolari dall’acqua. Questo ripiegamento avviene spontaneamente solo per proteine molto piccole; molecole più grandi hanno bisogno di essere assistite in questo processo da enzimi oppure da chaperones molecolari, dei quali parleremo più avanti. 

Analizzando il problema da un punto di vista strettamente energetico, si può affermare che le proteine mature (dette anche native) sono più stabili delle strutture primarie perché dotate di un contenuto energetico inferiore, ma in realtà la differenza energetica tra proteina nativa e sequenza aminoacidica è molto piccola: si parla, infatti, di uno scarto di circa 5-15 kilocalorie per mole di proteina. Il contenuto energetico di una proteina può essere distinto in due componenti: una componente entalpica e una componente entropica.

L’entalpia è il contributo energetico dato dalle interazioni non covalenti che si instaurano all’interno della molecola. I legami non covalenti sono forze piuttosto deboli che possono essere rotte e rigenerate con maggior facilità rispetto a legami covalenti. In una proteina, i legami covalenti rimangono praticamente invariati tra una proteina primaria e una nativa, perché la stragrande maggioranza di tali interazioni è rappresentata dai legami peptidici che uniscono gli aminoacidi tra loro. Gli unici legami covalenti che possono modificarsi durante il ripiegamento della molecola sono i ponti disolfuro che si formano tra molecole di cisteina, un aminoacido che presenta un atomo di zolfo in grado di legarsi covalentemente con altre molecole. Parlando di interazioni non covalenti, esse variano durante il ripiegamento della proteina perché si passa da una struttura primaria che interagisce con il solvente a una struttura terziaria in cui gli aminoacidi interagiscono non covalentemente tra loro e l’esposizione al solvente è enormemente ridotta. Per cui, il contributo entalpico diminuisce in una proteina nativa perché diminuiscono le interazioni tra gli aminoacidi e il solvente.

L’entropia è l’energia associata al disordine ed è dipendente dalla temperatura del sistema. Per creare ordine, un sistema deve quindi assorbire energia. Le proteine native sono molto ordinate, quindi la componente entropica è maggiore rispetto alle strutture primarie.

Sommando le componenti entalpica ed entropica, si evince che le proteine native hanno un contenuto energetico minore e quindi sono più stabili; ma questa stabilità è solo marginale perché, come abbiamo visto, lo scarto energetico è molto piccolo. Questa stabilità marginale ha però dei vantaggi fondamentali per i sistemi biologici in quanto è per questo motivo che le proteine possono modificare la loro conformazione per espletare le loro funzioni: grazie alla stabilità marginale, gli enzimi possono interagire con i loro substrati per operare la catalisi, i recettori possono legarsi ai loro ligandi nelle interazioni tra cellula e ambiente esterno e i canali ionici di membrana possono aprirsi o chiudersi.

Ora che abbiamo compreso il fattore energetico che sta dietro al ripiegamento delle proteine, bisogna capire come il procedimento avviene. Il tempo necessario per modificare l’orientamento di uno o più elementi della sequenza aminoacidica è brevissimo, in quanto si parla di 10-13 secondi. Tuttavia, il numero di conformazioni possibili per una struttura primaria è veramente enorme, ed esplorare tutte queste conformazioni per trovare quella più stabile richiede un tempo di circa 20 miliardi di anni che, ovviamente, non è un lasso temporale compatibile con la vita. Visto che il tempo reale di ripiegamento di una proteina oscilla tra 0,1 e 1000 secondi, si può intuire che il percorso di ripiegamento di una proteina non è guidato dal caso, ma é frutto di un accurato processo che ha limitato grandemente il numero di conformazioni effettivamente esplorabili.

Non tutti i percorsi energetici e cinetici conducono ad una proteina nativa: alcuni di essi producono degli aggregati proteici che non espletano la funzione della proteina nativa e che possono rivelarsi molto pericolosi. Non a caso, diverse malattie degenerative, tra cui il morbo d’Alzheimer, insorgono in seguito ad un accumulo di queste “placche” di proteine non correttamente ripiegate. La figura a lato schematizza chiaramente come le proteine non ancora ripiegate possano facilmente cadere in trappole energetiche che portano all’aggregazione.

Una struttura primaria attraversa quindi un percorso cinetico di ripiegamento caratterizzato dalla presenza di una serie di intermedi più o meno instabili prima di raggiungere lo stato di proteina nativa.

Come si piegano le proteine? Il ruolo degli chaperon molecolari.

Abbiamo già detto che il processo di ripiegamento è interamente spontaneo solo per proteine molto piccole, mentre le altre necessitano di un supporto perché si pieghino correttamente e non assumano conformazioni che impediscano l’espletamento delle loro funzioni. Uno dei principali supporti che sfruttano le strutture primarie è rappresentato dai chaperones molecolari, che sono altre proteine in grado di accompagnare le proteine non ancora native attraverso un percorso di ripiegamento che impedisce la formazione di aggregati non funzionali tramite legami temporanei non covalenti.

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Esistono diversi tipi di chaperones: le HSP (Heat Shock Proteins), le chaperonine e i chaperones del reticolo endoplasmico (calnexina e calreticulina). Quasi tutti agiscono consumando energia e possono funzionare da soli o in associazione tra loro. Le chaperonine, per esempio, sono raffinatissimi complessi di chaperones connessi tra loro in una struttura a “barattolo” che accoglie proteine non native e libera proteine correttamente ripiegate. Nella figura a lato si può apprezzare la struttura di GroEL, una delle prime chaperonine caratterizzate (visuale dall’alto). I chaperones non intervengono direttamente sulla proteina neosintetizzata, ma agiscono sugli intermedi instabili che si formano durante il ripiegamento.

La formazione di questi intermedi ha inizio quasi subito dopo la sintesi proteica. Come abbiamo accennato in precedenza, nella sequenza aminoacidica, ci sono aminoacidi che non riescono a stare a contatto del solvente perché hanno una struttura chimica apolare che respinge l’acqua. Per questo motivo, la struttura primaria inizia a piegarsi per isolare questi aminoacidi dall’ambiente acquoso della cellula.

All’interno di questo neonato ambiente idrofobico ci sono dei gruppi chimici polari che, per contro, non trovano una situazione favorevole: il problema viene facilmente risolto con la formazione di interazioni non covalenti tra questi gruppi. Ed é proprio grazie a queste interazioni che si formano le strutture secondarie, quindi le alfa-eliche e/o i beta-foglietti.

Lo stato in cui una proteina non ancora nativa presenta delle strutture secondarie dinamiche, non completamente definite e in continuo riarrangiamento è detto molten globule. Il passaggio da struttura primaria a molten globule è molto rapido ed è da qui in poi che intervengono i chaperones, i quali porteranno alla proteina nativa in un intervallo di tempo più lungo. Il compito dei chaperones è quindi quello di organizzare le strutture secondarie in domini funzionali evitando le conformazioni sbagliate.

Le proteine native sono biologicamente attive.

Il processo di ripiegamento delle proteine, come abbiamo potuto notare, è un meccanismo complicato, ma estremamente preciso, attraverso il quale una sequenza aminoacidica diventa una proteina nativa in grado di espletare la propria funzione. Il procedimento si è affinato nei miliardi di anni di evoluzione degli organismi viventi in modo da permettere la formazione in tempi brevissimi di proteine biologicamente attive. Ma com’è possibile che una proteina piegata in un certo modo possa espletare una determinata funzione? In altre parole: esiste un nesso causale tra struttura della proteina e funzione della stessa? La risposta, ovviamente, è affermativa; alla luce di ciò, è possibile predire la funzione di una proteina dalla sua struttura? Negli ultimi anni, grazie all’enorme progresso operato nella bioinformatica, è possibile risalire con elevata accuratezza alla funzione di una proteina partendo dalla sua struttura nativa, in quanto numerosi studi supportano l’esistenza di una relazione tra un particolare motivo strutturale e una determinata funzione. Per esempio, conoscendo la struttura tridimensionale di una proteina è possibile stabilire con esattezza se tale proteina sia un enzima oppure un recettore o altro.

Ma c’è dell’altro: il progresso scientifico ha reso possibile la predizione della funzione di una proteina anche a partire dalla sua sequenza aminoacidica. Tale risultato è ottenibile attraverso applicativi bioinformatici che operano una predizione confrontando le sequenze aminoacidiche di proteine simili e interrogando database di strutture proteiche.

È grazie a questi strumenti che la ricerca scientifica nei campi più disparati è riuscita ad avanzare e a compiere passi da gigante: si pensi per esempio alla comprensione dei meccanismi patologici di numerose malattie degenerative e alla produzione di nuove classi di farmaci.

 

BIBLIOGRAFIA
  • (Branden, 1999) Branden, Carl, Tooze, John, Introduction to protein structure, New York, Garland Publishing, 1999.
  • (Le Scienze, 2011) Il caos ordinato delle macromolecole proteiche. [consultato il 10 febbraio 2015].
  • (Petsko, 2008) Petsko, Gregory, Ringe, Dagmar, Protein structure and function, Oxford University Press, 2008.

 

A cura di Tommaso Montanari. Revisionato da Matteo Bizzotto.

 

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About the Author : Tommaso Montanari

Biotecnologo agrario. Attore per caso. Con mille passioni e interessi.

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