Struttura e Ripiegamento delle proteine

Le proteine sono una delle quattro famiglie di macromolecole fondamentali per il nostro organismo, assieme ai carboidrati, ai lipidi e agli acidi nucleici (DNA e RNA). Una buona parte della biochimica è rivolta allo studio delle proteine che svolgono una quantità di funzioni immensa.
Le proteine sono macromolecole costituite da una sequenza definita di L-amminoacidi, legati uno all’altro con un legame carbamidico (o peptidico). Una volta sintetizzate, le proteine assumono una struttura tridimensionale specifica (attraverso un processo di folding, alias ripiegamento), perchè la loro funzione è intimamente associata alla loro struttura, se la struttura è difettosa, risulterà tale anche la funzione, numerose malattie sono dovute ad un errato ripiegamento delle proteine (anemia falciforme, BSE, ecc..).
Esistono diversi gradi di struttura per una proteina; la semplice sequenza lineare degli amminoacidi è detta struttura primaria; non discuterò qui la struttura e la geometria del legame peptidico, basti sapere che è un legame estremamente rigido che non permette la rotazione, ruotano però i due legami contigui ad esso il Cα-COOH e il NH-Cα e dalla rotazione di questi legami vengono formati due angoli, rispettivamente Ψ (Psi) e Φ (phi); questi due angoli teoricamente possono variare da -180° a + 180°, anche se in pratica alcuni di questi valori sono proibiti per delle interferenze che si possono venire a creare tra le catene laterali degli amminoacidi. I valori ammessi di questi angoli possono venire riportati su un grafico in cui un psi viene studiato al in funzione di phi, questo grafico è detto grafico di Ramachandran (Ramachandran’s plot).
In Base agli amminoacidi e agli angoli il polipeptide (la sequenza di diversi amminoacidi) può assumere conformazioni più complesse, che vengono definite strutture secondarie. Le più comuni strutture secondarie sono α-elica e il β-foglietto (oβ-sheet):

-α elica: è un’elica destrorsa formata dall’avvolgimento attorno ad un asse centrale immaginario del polipeptide. In questa elica le catene laterali degli amminoacidi sono proiettate all’esterno. L’alfa Elica ha un’unità ripetitiva di 5.4 angstrom, ed è stabilizzata al suo interno da interazioni non covalenti; anche se non è l’unica struttura elicoidale esistente nel mondo proteico, l’alfa elica è senz’altro la più comune. E’ molto frequente nelle proteine fibrose come la cheratina o il collagene.

- β-foglietto: è una struttura più estesa e si forma quando due o più segmenti del polipetide si trovano ad essere paralleli (non dovete però immaginarli staccati, ma in continuità…un oggetto che ci si avvicina è una serpentina). nel Beta foglietto ogni segmento che lo compone ha un andamento a zig-zag e le catene laterali sono alternativamente proiettate al di sopra e al di sotto del piano formato dal foglietto. La struttura è stabilizzata da legami non covalenti al proprio interno. Possono esserci due tipi di β-foglietto: parallelo o antiparallelo a seconda della direzionalità dei segmenti che lo compongono. Generalmente l’antiparallelo è più stabile.

Sono poi stati studiati dei segmenti all’interno della struttura proteica che collegano le estremità di due segmenti o in conformazione  alfa o in conformazione beta, e sono chiamati ripiegamenti beta o β-turns.
Poichè abbiamo detto che a seconda degli amminoacidi presenti possiamo avere o una o l’altra conformazione, in un polipeptide sufficientemente lungo e vario nella sequenza potremmo avere, e difatti abbiamo, regioni con una conformazione e regioni con un’altra. Un ulteriore ripiegamento nello spazio
del polipeptide con queste conformazioni secondarie porta ad una conformazione tridimensionale (struttura terziaria) in cui diverse regioni, magari prima anche distanti, interagiscono tra di loro per dare una struttura compatta e funzionale alla proteina. Se la proteina in questione è un enzima verrà formato il sito attivo funzionale e specifico, e, se è previsto, anche la tasca dove si inserirà il cofattore; se invece è un recettore si formerà il sito di legame con il ligando etc. In base al tipo di ripiegamento vengono distinte proteinde fibrose e proteine globulari; le prime, come collagene e cheratina, hanno una struttura adatta a ricoprire ruoli strutturali, mentre le seconde, come le globuline, hanno una struttura più globosa e compatta delle prime e di solito non hanno ruoli strutturali.
Se immaginiamo di avere diverse catene polipeptidiche legate non covalentemente, ognuna con la sua struttura e il suo ripiegamento, abbiamo una struttura quaternaria. Alcune proteine infatti sono formate da più subunità polipeptidiche associate non covalentemente, e le interazioni tra le varie parti possono influenzare le proprietà e le funzioni della proteina. L’esempio più famoso che mi viene in mente è l’emoglobina, la proteina responsabile del trasporto di ossigeno negli eritrociti. Essa è costituita da quattro subunità, a due a due identiche: 2 α e 2 β (non c’entra con l’α-elica e il β-foglietto..) per un totale di 64500Dalton; ciascuna di queste subunità contiene in appositi siti un gruppo eme, una molecola non proteica responsabile del legame e del trasporto dell’ossigeno.
Torno a sottolineare l’importanza di un corretto ripegamento tridimensionale per la proteina, perchè se questo è errato o viene successivamente perso viene a determinarsi  anche la perdita della funzione. Supponiamo ora di avere una proteina di piccole dimensioni, circa 100 amminoacidi, e supponiamo che ciascun amminoacido abbia in media la possibilità di trovarsi in 10 conformazioni diverse: la proteina avrà qualcosa come 10 alla centesima diverse possibili conformazioni. Anche ammettendo che la proteina ne provi casualmente ciascuna in 10^-13 secondi, per esplorarle tutte ci impiegherebbe circa 10^77 anni…e dato che l’universo ha circa 14 miliardi di anni, è impossibile che le proteine trovino casualmente la loro conformazione nativa. Questo problema prende il nome di paradosso di Levinthal.
I processi di ripiegamento non sono ancora completamente noti, ma ci sono delle teorie plausibili; una di queste prevede che i vari amminoacidi, guidati dalle interazioni, idrofobiche, polari o steriche, tra le loro catene laterali, si dispongano localmente ad alfa elica o a foglietto beta, questo cambia la conformazione del polipeptide e porta regioni prima lontane ad interagire e ad assumere nuove conformazioni, fino al completamento della struttura.
Cosa spinge però la proteina a ripiegarsi? è un processo spontaneo oppure dato da un dispendio di Energia? La risposta non è univoca, perchè alcune proteine si ripegano spontaneamente grazie alle interazioni degli amminoacidi tra di loro e con l’ambiente esterno, pertanto gli amminoacidi idrofobici verranno automaticamente posizionati il più lontano possibile dall’acqua (abbondante nel mezzo esterno), mentre verranno allontanati quelli con cariche dello stesso segno. Altre proteine hanno un ripegamento “guidato” e “assistito” da altre proteine, dette chaperonine (leggere “Sciaperonine”, perchè deriva da un termine francese), che utilizzano ATP per svolgere le loro funzioni.