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CAPITOLO 4: STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DELLE PROTEINE - Coggle Diagram

- - - - Collagene
        Il collagene, come le alfa-cheratine, si è evoluto per resistere alle tensioni. È presente nel tessuto connettivo come il tendine, la cartilagine, la matrice organica delle ossa e la cornea dell’occhio, ed è la proteina più abbondante nei mammiferi, nei quali costituisce, solitamente, dal 25% al 35% del contenuto proteico totale.
        L’elica del collagene è una struttura secondaria unica, del tutto distinta dall’alfa-elica. È sinistrorsa e ha tre residui amminoacidici per giro.
        Anche il collagene è un coiled coil, ma con una caratteristica struttura terziaria e quaternaria: tre catene polipeptidiche separate, dette catene alfa (da non confondere con le alfa-eliche) sono superavvolte le une sulle altre in un superavvolgimento elicoidale destrorso.
        Nei vertebrati esistono molti tipi di collagene. Tipicamente, la glicina rappresenta il 35% dei residui totali, l’alanina l’11% e la prolina insieme alla 4-idrossiprolina circa il 21%.
        Questa insolita composizione amminoacidica è imposta dalle restrizioni strutturali. La sequenza amminoacidica del collagene è costituita, generalmente, da un’unità tripeptidica ripetuta, Gly-X-Y, dove spesso X è prolina e Y è 4-idrossiprolina.
        
        I residui di glicina sono gli unici che si possono adattare ai punti di giunzione tra le singole catene alfa;
        
        i residui di prolina e 4-idrossiprolina consentono lo stretto avvolgimento della catena polipeptidica del collagene.
        
        La resistenza alla tensione viene amplificata dallo stretto avvolgimento delle tre catene alfa nella tripla elica del collagene e diventa maggiore di quella di un filo di acciaio di uguale diametro.
        Le fibrille di collagene sono organizzazioni sopramolecolari costituite da triple eliche di collagene (in qualche caso chiamate molecole di tropocollagene) che si associano tra loro in vari modi, per generare diversi gradi di resistenza alla tensione. Le catene alfa all’interno di una molecola di collagene e le molecole di collagene all’interno di una fibrilla sono unite tra loro da legami covalenti crociati di tipo insolito che coinvolgono residui di Lisina, di 5-idrossilisina o di istidina presenti in alcune posizioni X e Y del collagene.
        La rigidità e al tempo stesso la fragilità tipiche del tessuto connettivo delle persone anziane derivano dall’accumulo di legami crociati nelle fibrille di collagene.
        Sostituzioni di amminoacidi, anche se di un solo residuo, hanno effetti catastrofici sulla funzione del collagene, in quanto rompono l’unità ripetitiva Gly-X-Y. Dato il suo ruolo fondamentale nella tripla elica del collagene, la glicina non può essere sostituita da nient’altro senza che si abbiano effetti deleteri all’interno della struttura.
        
        Approfondimento
        Lo scorbuto è causato dalla mancanza di vitamina C, o acido ascorbico. La vitamina C è necessaria, tra le altre cose, per l’ossidrilazione della prolina e della lisina nella molecola del collagene; lo scorbuto è una malattia da deficit caratteristica dalla degenerazione generalizzata del tessuto connettivo. Le manifestazioni dello scorbuto in fase avanzata comprendono piccole e numerose emorragie dovute a fragilità dei vasi sanguigni, perdita dei denti, insufficiente cicatrizzazione delle ferite e riapertura di quelle vecchie, dolore e degenerazione delle ossa e infine insufficiente cardiaca. Casi più moderati di insufficienza di vitamina C sono caratterizzati da affaticamento, irritabilità e aumento della gravità delle infezioni respiratorie. La maggior parte degli animali produce una notevole quantità di vitamina C dalla conversione del glucosio in ascorbato mediante quattro tappe enzimatiche. Nel corso dell’evoluzione, però, gli esseri umani e altri animali hanno perso l’ultima enzima della via di sintesi dell’ascorbico e devono quindi assumere questo composto con la dieta.
        Fino al 1800, tuttavia, l’ascorbato era spesso assente nei cibi disidratati o conservati per l’inverno o per i lunghi viaggi.
        Nel 1747 James Lind, un medico scozzese della marina da guerra britannica, condusse il primo studio clinico controllato registrato nella storia. Nel corso di un lungo viaggio su una nave da guerra Lind selezionò 12 marinai affetti da scorbuto e li divise in gruppi di due. Anche se la dieta era uguale per tutti e dodici, a ogni gruppo veniva dato un rimedio diverso per lo scorbuto tra quelli raccomandati all’epoca.
        I marinai a cui erano stati dati limoni e arance guarirono.
        Perché l’acido ascorbico è così importante per la salute umana?
        Di particolare interesse è il suo ruolo nella formazione del collagene. L’anello della prolina si trova normalmente sotto forma di una miscela di due conformazioni ripiegate chiamate C-endo e C-eso. La struttura dell’elica del collagene richiede che il residuo di prolina/idrossiprolina nella posizione Y sia nella conformazione C-eso, la quale viene stabilizzata dalla presenza dell’ossidrile nella posizione C4. In assenza di vitamina C, le cellule non possono ossidrilare la prolina nelle posizioni Y. Ne deriva un’instabilità del collagene, con tutti i conseguenti problemi dovuti all’insorgenza dello scorbuto.
        Per l’ossidrilazione di specifici residui di prolina del procollagene, il precursore del collagene, è necessario l’intervento dell’enzima 4-idrossilasi. Nella normale reazione di ossidrilazione del residuo di prolil-4-idrossilasi, una molecola di alfa-chetoglutarato e una molecola di O2 si legano all’enzima. L’alfa-chetoglutarato subisce decarbossilazione ossidativa, formando CO2 e succinato. L’atomo di ossigeno viene poi usato per l’ossidrilazione di un residuo di pro del procollagene. Questa reazione non richiede la presenza di ascorbato.
        La prolil-4-idrossilasi, tuttavia, catalizza anche la decarbossilazione ossidativa di alfa-chetoglutarato non accoppiata all’ossidrilazione della prolina. Nel corso della reazione l’atomo di Fe2+ si ossida e la forma ossidata dell’enzima è inattiva, cioè non più in grado di ossidrilare la prolina. L’ascorbato è necessario per ridurre il ferro e ripristinare la forma attiva dell’enzima, in modo che l’idrossilazione della prolina del procollagene possa continuare.
      - Fibroina
        La fibroina, la proteina della seta, viene prodotta dagli insetti e dai ragni. Le sue catene polipeptidiche si trovano quasi esclusivamente nella conformazione beta. La fibroina è ricca di residui di alanina e di glicina, che permettono di avvicinare molto le catene tra loro e di formare un foglietto beta compatto, dato che le catene laterali R si integrano perfettamente. La struttura complessiva è stabilizzata da molti legami idrogeno tra i gruppi peptidici nelle catene polipeptidiche impegnate nel foglietto beta e dall’ottimizzazione delle interazioni di van der Waals tra foglietti differenti. La seta non si può allungare, in quanto la conformazione beta della fibrina è già completamente estesa. La struttura risulta comunque flessibile, poiché i foglietti sono tenuti assieme da interazioni deboli anziché da legami covalenti.
      - Alfa-cheratina
        Le alfa-cheratine si sono evolute con una struttura adatta a resistere alla tensione. Si trovano solo nei mammiferi dove rappresentano la quali totalità del peso secco dei capelli, della lana, delle penne, delle unghie, degli artigli, delle corna, degli zoccoli e degli strati esterni della pelle. Le alfa-cheratine fanno parte di una grande famiglia di proteine chiamate proteine dei filamenti intermedi IF.
        L’alfa elica delle alfa-cheratine è destrorsa ed è presente in molte altre strutture proteiche. Francis Crick e Linus Pauling, neggli anni ’50 del Novecento, ipotizzarono indipendentemente uno dall’altro che le alfa-eliche della cheratine fossero organizzate in un avvolgimento avvolto, o coiled coil.
        Due catene di alfa-cheratina con la stessa direzionalità si attorcigliano una sull’altra formando un superavvolgimento che aumenta la resistenza dell’intero complesso. L’andamento elicoidale del superavvolgimento è sinistrorso, opposto a quello delle alfa-eliche.
        Le superfici dove le due eliche si toccano nella struttura avvolta sono rivestite da amminoacidi idrofobi; i loro gruppi R si inseriscono l’uno vicino all’altro con un’alternanza perfettamente regolare. Ciò permette un avvicinamento massimo delle catene all’interno del superavvolgimento. Non è quindi sorprendente che le alfa-cheratine siano ricche di residui idrofobi alanina, valina, lucina, isoleucina, metionina e fenilalanina. L’attorcigliamento di queste due cariche polipeptidiche è un esempio di struttura quaternaria. Nelle alfa-cheratine i legami crociati che stabilizzano la struttura quaternaria sono legami disolfuro. Nelle alfa-cheratine più dure e resistenti, come quelle del corno dei rinoceronti, più del 18% dei residui totali è costituito dalle cisteine dei legami disolfuro.
    - - La mioglobina ha rappresentato il primo esempio della complessità strutturale delle proteine globulari
        Il primo passo verso la comprensione della struttura tridimensionale delle proteine globulari fu fatto da John Kendrew e dal suo gruppo di ricerca, con i loro studi di diffrazione sulla mioglobina negli anni ’50 del secolo scorso. Lo scheletro della molecole della mioglobina è costituito da otto segmenti relativamente rettilinei di alfa-eliche interrotti da ripiegamenti, alcuni dei quali sono ripiegamenti beta. L’alfa elica più lunga ha 23 residui amminoacidici e la più corta ne ha soltanto 7; tutte sono destrorse. Più del 70% degli amminoacidi della molecola della mioglobina è strutturato in alfa-eliche. La posizione delle catene laterali degli amminoacidi è dovuta a una struttura che è stabilizzata principalmente dall’effetto idrofobico. La maggior parte dei gruppi R idrofobi si trova all’interno della molecola, lontano dal contatto con l’acqua. Tutti i gruppi R polari, eccetto due, sono localizzati sulla superficie esterna della mioglobina e tutti sono quindi idratati. La molecole della mioglobina è così compatta che al suo interno vi è spazio solo per quattro molecole di acqua. Questo denso nucleo idrofobo è tipico delle proteine globulari.
        Come era stato previsto da Pauling e Corey, tutti i legami peptidici sono nella configurazione planare trans. Le alfa-eliche osservate nella mioglobina sono state la prima evidenza sperimentale diretta dell’esistenza di questo tipo di struttura secondaria. Il gruppo eme, essendo piatto, è confinato in un’infossatura, o tasca, della molecola della mioglobina. All’interno di questa tasca la possibilità che il gruppo eme acceda al solvente è molto limitata. Ciò è molto importante per il funzionamento della proteina, in quanto i gruppi eme liberi in una soluzione ossigenata vengono rapidamente ossidati e l’atomo di ferro passa dallo stato di ossidazione Fe2+, capace di legare reversibilmente l’ossigeno, allo stato di ossidazione Fe3+, che non è in grado di legare l’ossigeno.
      - Le proteine globulari hanno varie strutture terziarie
        
        Un motivo o ripiegamento è costituito da un avvolgimento polipeptidico caratteristico, perciò ben riconoscibile, formato da due o più elementi di struttura secondaria e dagli elementi di connessione tra di essi. La disposizione facilmente riconoscibile di otto alfa-eliche nella mioglobina è riprodotta in tutte le altre globine ed è denominata “ripiegamento globinico”.
        
        Un dominio, secondo la definizione di Jane Richardson del 1981, è una parte di una catena polipeptidica di per sé stabile o che potrebbe andare incontro a spostamenti come un’entità indipendente rispetto al resto della proteina. Polipeptidi costituiti da qualche centinaio di residui amminoacidici spesso si avvolgono nello spazio formando due o più domini, che talvolta svolgono funzioni diverse. Spesso domini differenti svolgono funzioni distinte, come per esempio il legame di piccole molecole o l’interazione con altre proteine.
        
        Segmenti adiacenti nella struttura primaria generalmente sono in contatto tra loro nella struttura ripiegata della proteina.
        La conformazione beta è più stabile quando i singoli segmenti che la compongono sono leggemente piegati in senso destrorso. Ciò influenza sia la disposizione relativa dei foglietti beta derivati dai segmenti ripiegati, sia l’andamento delle connessioni polipeptidiche tra essi. In linea di principio, la connessione potrebbe avere una conformazione destrorsa o sinistrorsa, ma nelle proteine è quasi sempre destrorsa. Le connessioni destrorse sono normalmente più corte delle sinistrorse e tendono a formare angoli più piccoli, poiché ne rendono più facile la formazione.
      - Alcune proteine o alcuni segmenti di proteine sono intrinsecamente disordinati
        Le proteine intrinsecamente disordinate hanno proprietà diverse da quelle delle proteine con un’organizzazione classica. Spesso non hanno un nucleo idrofobo, e hanno invece elevate quantità di residui amminoacidici carichi come lisina, arginina e glutammina. Sono presenti anche molti residui di prolina, che tendono a impedire l’instaurarsi delle strutture ordinate.
        Altre proteine disordinate possono comportarsi come spazzini, che legano a sé ioni e piccole molecole in soluzione fungendo da accumulatori di riserve di tali elementi o da discariche per rifiuti.
        Molte proteine intrinsecamente disordinate, però, costituiscono il cuore pulsante di reti molto importanti di interazioni tra proteine.
        L’assenza di una struttura ordinata può favorire una promiscuità funzionale, permettendo a una proteina di interagire con molti partner diversi.
        Ad esempio, p27 è priva di una struttura definibile; essa è una proteina che avvolge e inibisce l’azione di alcuni enzimi, le chinasi che favoriscono la divisione cellulare. Più i livelli di p27 sono bassi, più è grave la prognosi per le persone con il cancro. Anche la proteina dei mammiferi p53 è cruciale nel controllo della divisione cellulare. Essa contiene segmenti sia strutturati sia non strutturati, e i diversi segmenti interagiscono con numerose altre proteine. Una regione non strutturata della p53, localizzata nella regione carbossiterminale, interagisce con almeno quattro partner di legame differenti e assume una struttura diversa in ciascun complesso.
      - I motivi proteici vengono usati per classificare le strutture delle proteine
        Le proteine con somiglianze significative nella loro struttura primaria e/o con struttura terziaria e funzione altrettanto simili fanno parte della stessa famiglia di proteine.
        Due o più famiglie che hanno poche analogie di sequenza, ma fanno uso dello stesso motivo strutturale e hanno quindi funzioni simili sono raggruppate in superfamiglie. È probabile che esistano relazioni evolutive tra le famiglie che fanno parte della stessa superfamiglia, anche se tempo e distinzioni funzionali, e pressioni adattive diverse, possono avere cancellato molte delle relazioni tra le sequenze che avrebbero potuto fungere da indizi rivelatori. Quando una famiglia proteica è diffusa in tutti e tre i regni della vita cellulare ha un’origine probabilmente molto antica. Molte proteine coinvolte nelle tappe intermedie del metabolismo e nel metabolismo degli acidi nucleici appartengono a questa categoria.
- - - - I difetti nell’avvolgimento delle proteine sono la base molecolare di un vasto numero di malattie genetiche
        Nonostante i numerosi processi che favoriscono l’avvolgimento delle proteine, un quarto o forse più di tutti i polipeptidi sintetizzati viene distrutto perché essi sono avvolti in maniera errata. In alcuni casi, gli avvolgimenti non corretti possono causare o contribuire allo sviluppo di gravi malattie. Molte patologie, fra cui il diabete di tipo 2, la malattia di Alzheimer, la malattia di Huntington e la malattia di Parkinson, hanno in comune un meccanismo di avvolgimento non corretto.
        In molti casi, una proteina solubile viene secreta dalle cellule con un avvolgimento non corretto e convertita in una fibra extracellulare amiloide insolubile. Le malattie che ne derivano prendono collettivamente il nome di amiloidosi. Le fibre sono altamente ordinate, con un diametro da 7 a 10 nm e un elevato numero di strutture a foglietti beta.
        Poiché la maggior parte delle molecole proteiche si avvolge normalmente, la comparsa dei sintomi nelle amilodisodi avviene molto lentamente. Tuttavia, se una persone eredita una mutazione, come la sostituzione di un amminoacido idrofilo con un residuo aromatico in una posizione che favorisce la formazione di fibrille amiloidi, i sintomi della malattia appaiono in età giovanile. Le malattie da deposito di fibre amiloidi provocano una neurodegenerazione, soprattutto in persone in età avanzata, e costituiscono una classe speciale di amiloidosi localizzate.
        
        Alzheimer
        La malattia di Alzheimer è associata al deposito da parte dei neuroni di fibre amiloidi extracellulari che portano alla formazione di una proteina chiamata peptide beta-amiloide, derivata da una proteina transmembrana più grande, presente in molti tessuti umani. Quando è parte di una proteina più grande, il peptide è costituito da due segmenti ad alfa-elica che attraversano la membrana. Quando i domini esterni e interni vengono dissociati da proteasi specifiche, il peptide beta-amiloide, relativamente instabile, lascia la membrana e perde la sua struttura ad alfa-elica. In seguito può assumere la forma di due strati di foglietti beta estesi e paralleli, che si possono lentamente organizzare in fibrille amiloidi. I depositi di queste fibre amiloidi sembrano essere la causa principale della malattia di Alzheimer, ma all’interno dei neuroni nelle persone affette si accumula un secondo tipo di aggregati similamiloidi, formati da una proteina chiamata tau. Non sembra che si verifichino mutazioni a carattere ereditario nella proteina tau, ma i depositi amiloidi causano demenza frontotemporale e parkinsonismo (una condizione con una sintomatologia simile a quella della malattia di Parkinson), che possono essere ugualmente devastanti).
        
        Parkinson e Huntington
        Nella malattia di Parkinson, la forma con avvolgimenti non corretti della proteina alfa-sinucleina si aggrega per costituire masse sferiche filamentose chiamate corpi di Lewy.
        Nella malattia di Huntington si formano aggregati della proteina huntingtina, che presenta lunghe ripetizioni di poliglutammina. In alcune persone la ripetizione di poliglutammina è più lunga del normale e causa la formazione di aggregati intracellulari caratteristici. È interessante notare che, quando le proteine umane mutanti coinvolte nella malattia di Parkinson e nella malattia di Huntington vengono espresse di Drosofila melanogaster, i moscerini mostrano segni di neurodegenerazioni quali deterioramenti degli occhi, tremori e morte precoce. Tutti questi sintomi vengono decisamente attenuati dall’espressione contemporanea di elevati livello della chaperon Hsp70.
        
        Un errato avvolgimento proteico non necessariamente conduce alla formazione di amiloidi e quindi a condizioni patologiche
        Per esempio, la fibrosi cistica è causata da un difetto di una proteina di membrana chiamata regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica, che agisce da canale per gli ioni cloro. La più comune mutazione che causa la fibrosi cistica è la delezione di un residuo di fenilalanina in posizione 508 nel CFTR, che genera un avvolgimento improprio nella proteina. Gran parte della proteina viene degradata e la sua normale funzione viene persa. Sono stati sviluppati alcuni farmaci in grado di correggere alcune fasi dell’avvolgimento improprio del CFTR e detti per questo correttori o chaperon farmacologiche. Molte delle malattie che dipendono da mutazioni del collagene causano avvolgimenti non corretti.
      - Le malattie da prioni
        Negli anni ’60 del secolo scorso alcuni laboratori di ricerca scoprirono che preparazioni di un agente che causava la malattia non contenevano acidi nucleici. In quello stesso periodo Alper ipotizzò che questo agente fosse una proteina. All’inizio quest’idea sembrò un’eresia, invece quasi quarant’anni di studi, compiuti principalmente da Prusiner, hanno sostanzialmente stabilito che le encefalopatie spongiformi sono patogeneticamente diverse.
        L’agente infettivo è una singola proteina che Prusiner chiamò proteina prionica o prione PrP. Questa proteina prionica è un normale costituente del cervello in tutti i mammiferi. La sua funzione non è nota nel dettaglio, ma si ritiene che la proteina possa avere un ruolo nei meccanismi di segnalazione molecolare. Tuttavia, ratti privi del gene che codifica PrP non presentano sintomi o effetti particolari. La malattia si innesca solo quando la proteina PrP normale è presente in una conformazione alterata. La struttura di PrP normale ha due alfa-eliche mentre la struttura di PrP è molto diversa, con gran parte della struttura convertita in foglietti beta di tipo beta-amiloide. L’interazione della PrP alterata con quella normale converte questo’ultima in quella malata, dando inizio a un effetto a cascata in cui una qualità sempre maggiore di proteina viene convertita nella forma che determina la malattia. Il meccanismo con cui la presenza della PrP malata porta all’encefalopatia spongiforme è sconosciuto. Nelle forme di malattia da prione ereditatili, il gene che codifica PrP è mutato, e si pensa che la sostituzione di un amminoacido nella molecola di PrP sia la causa più probabile della conversione di PrP normale in PrP anormale.