Le proteine hanno grandezza e peso differenti, quindi dimensioni molto variabili. Il peso va espresso in Dalton o in U.M.A o infine in grammo/mole. Più è grande una proteina e più alto sarà il numero di amminoacidi presenti, calcolando che il peso medio di un Amminoacido è di circa 110 Da. è importante distinguere le Proteine: - Monomeriche: ossia costituite da una sola catena Peptidica. - Multimeriche: costituite da più subunità proteiche. Molto importanti tra queste proteine sono un sottogruppo chiamato proteine Oligomeriche (proteine formate da un esiguo numero di catene Polipeptidiche) tra queste bisogna menzionare l’Emoglobina che è un Eterotetramero dove “Etero” sta ad indicare l’associazione di almeno due subunità differenti e “Tetramero” vuol dire che è costituito da 4 subunità e infatti l’emoglobina è costituita da 2 catene Alpha e 2 catene Beta. Bisogna anche distinguere le Proteine Semplici, da quelle Coniugate: - Proteine Semplici: formate soltanto dalla frazione amminoacidica; - Proteine Coniugate (o Complesse): costituite oltre che dalla frazione amminoacidica anche da molecole che hanno una natura differente dagli amminoacidi e un esempio possono essere le Lipoproteine (che hanno amminoacidi legati con lipidi), Glicoproteine ecc. Questa porzione di differente natura viene chiamata Gruppo Prostetico un esempio molto importante è il gruppo EME dell’Emoglobina. CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE Le proteine possono essere distinte in base a diversi criteri: 1) Forma: che ci permette di distinguere le proteine Fibrose da quelle Globulari. Questa distinzione è indicativa anche della funzione perché: - Proteine fibrose: in genere assolvono ad una funzione strutturale, meccanica o di sostegno (cheratina e collagene). Queste proteine presentano la catena polipeptidica organizzata in “long strends” o “sheets” cioè organizzata in lunghe fibrille o foglietti perché c’è la ripetizione della struttura secondaria di alcune proteine. Generalmente queste sono delle proteine insolubili in acqua e quindi Idrofobiche (ovviamente questa idrofobicità è data dagli amminoacidi che la compongono). Infine esse sono robuste e flessibili. Un esempio di proteine fibrose è dato dall’Alfa Cheratina dei capelli e questo è anche un esempio di come sia strettamente correlata la struttura di una proteina alla sua funzione biologica. L’Alfa cheratina è stata utilizzata per la spiegazione dell’Alfa Elica delle proteine, essa infatti è formata da un elica Destrorsa e 2 di esse si associano tra di loro con andamento sinistrorso andando a formare una struttura molecolare chiamata twochain coiled coil, dall’associazione di 2 strutture di questo tipo si ottiene il Protofilamento (dove la stabilizzazione è dovuta a ponti disolfuro nella struttura “a corda” e tra catene adiacenti) e dall'associazione di un certo numero di Protofilamenti si ottiene la Protofibrilla che ha un diametro di circa 40/50 Angstrom. Un altro esempio di proteine fibrose è dato dal Collagene e il collagene è una delle proteine maggiormente presenti nel nostro organismo e ha una localizzazione extracellulare. La particolarità del collagene è data dalla struttura primaria di questa proteina che è costituita da grandi quantità di Prolina e Glicina (che si trova ogni 3 residui amminoacidici della catena polipeptidica) e oltre a questi amminoacidi ci sono amminoacidi derivanti da delle modificazioni post-traduzionali come Idrossiprolina, Idrossilisina e Idrossilisina Glicosilata. Questo avvolgimento elicoidale presente nel Collagene è specifico di questa proteina perché la catena polipeptidica del collagene che viene chiamata Catena Polipeptidica Alfa, che non è da confondere con l'alfa Elica, ha un andamento sinistrorso a differenza delle altre proteine. L’unità costitutiva di base delle Fibrille che contengono il collagene è la cosiddetta Triplice Elica del Collagene che è formata da 3 Eliche Sinistrorse che si associano in modo destrorso formando il Tropocollagene che ha una caratteristica principale di trazione e di torsione; - Proteine Globulari: hanno una struttura sferica e possono assolvere a funzioni molto diverse come le proteine Enzimatiche, immunoglobuline (quindi Anticorpali) ecc. Queste hanno una catena polipeptidica organizzata in forma sferica o globulare. Sono proteine Solubili in acqua. 2) Funzione: e in base alla funzione possiamo distinguere proteine Enzimatiche, di Trasporto, di Deposito, Regolatorie, Strutturali e Contrattili. 3) Solubilità in soluzioni Idrosaline: è un criterio che viene utilizzato per distinguere le proteine ma molto più di rado e quindi si trovano le Albumine, Globuline e Istoni (sono ordinate con un carattere basico crescente, le Albumine sono le più acide, gli Istoni i più Basici). EMOGLOBINA E MIOGLOBINA Come esempio di proteine Globulari possiamo parlare della Mioglobina e della Emoglobina, queste sono proteine che fanno parte della famiglia delle Emoproteine e quindi rappresentano uno dei classici esempi di proteine Complesse o Coniugate. Tutte le proteine Complesse contengono oltre alla parte amminoacidica anche un gruppo chimico di natura diversa e in questo caso parliamo del gruppo Prostetico che in questo caso è dato dal gruppo Eme. Questi rappresentano un esempio ottimo perché descrivendo le caratteristiche della Mioglobina e della Emoglobina si illustrano delle caratteristiche che sono comuni a tanti altri tipi di proteina e anche perché sono state tra le prime proteine ad essere Cristallizzate e quindi è stato fatto il modellino tridimensionale dove si è potuto indagare in maniera approfondita. Queste due proteine sono studiate in parallelo perché presentano delle analogie strutturali e funzionali in comune però ovviamente ci sono delle importantissime differenze tra le due proteine. Sicuramente hanno un’analogia strutturale perché, nonostante la Mioglobina sia molto più semplice strutturalmente, la singola catena polipeptidica delle Mioglobina e una delle catene polipeptidiche del Tetramero ossia l’Emoglobina perché la Mioglobina rappresenta una proteina Monomerica (cioè formata da una singola catena polipeptidica di 153 amminoacidi). L’Emoglobina invece è costituita da 4 subunità proteiche, quindi è Tetramerica, e ognuna costituita da un numero di amminoacidi superiore a 140, rispettivamente 141 e 146 amminoacidi perché esse sono uguali a 2 a 2, ossia 2 subunità Alfa (a1 e a2) e 2 subunità Beta (b1 e b2). L’analogia tra la Mioglobina e l’Emoglobina esiste tra la catena Monomerica della Mioglobina e la subunità Beta dell’Emoglobina (dal punto di vista strutturale sono quasi sovrapponibili), questo perché hanno un “ancestore”(antenato) comune. La principale caratteristica che accomuna entrambe queste proteine e le rende uniche nella loro funzione è quella di legare l’ossigeno molecolare (O2) (l'ossigeno molecolare è quello presente nell’atmosfera). Questo legame è reversibile ed è importante sottolinearlo perché l’ossigeno in realtà non serve come substrato per le proteine ma serve per essere trasportato o immagazzinato nei tessuti per poi essere rilasciato all’occorrenza. Tra le altre differenze sicuramente troviamo la localizzazione di queste 2 proteine, la Mioglobina infatti si trova soprattutto a livello muscolare (ci sono anche piccole frazioni in altri tessuti) e nel tessuto muscolare la Mioglobina funziona come magazzino di ossigeno e quindi funge da proteina di immagazzinamento dell’ossigeno che verrà rilasciato quando la pressione parziale di ossigeno si abbassa a livelli molto piccoli. L’Emoglobina invece si trova nel torrente circolatorio (sangue), precisamente a livello dei globuli rossi ogni molecola di Emoglobina essendo Tetramerica ha 4 siti di legame per l’Ossigeno. Principali analogie tra Emoglobina e Mioglobina: - subunità con strutture secondarie ad Alfa Elica; - legano in maniera Reversibile l’ossigeno; - Gruppo Eme B; - Ferro 2+; - Proteine Globulari; - il Gruppo Eme è una Protoporfirina. Differenze Principali, Mioglobina: - Proteina Monomerica; - singolo sito di legame per l'ossigeno e lo lega in maniera più forte; - utilizzata soprattutto a livello muscolare; - contiene soltanto la struttura primaria, secondaria e terziaria; - lega l’ossigeno in maniera Iperbolica; - viene utilizzata come magazzino dell’ossigeno. Differenze Principali, Emoglobina: - Proteina Tetramerica (cioè formata da 4 subunità); - contiene la struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria; - viene utilizzata a livello sistemico perché presente appunto a livello circolatorio; - presenta una curva sigmoidale; - presenta cooperatività di legame; - può legare CO2, CO (monossido di carbonio), NO (monossido di Azoto), BPH (bisfosfoglicerato) e protoni H+; - presenta dei residui idrofobici sulla superficie di ogni unità e questo permette la formazione della struttura quaternaria. Nella Mioglobina possiamo distinguere 8 segmenti ad Alfa Elica che vanno dalla A alla H e ogni segmento è congiunto con il successivo tramite delle regioni di congiunzione che non presentano una struttura secondaria ben definita. In una regione molto interna di questo avvolgimento globinico è contenuto il gruppo Prostetico che è il gruppo Eme. Il gruppo Eme è una Protoporfirina, è un anello Tetrapirrolico ossia costituito chimicamente da 4 anelli Pirrolici che sono congiunti tra di loro grazie a Ponti Metilici e al centro di questa Molecola Planare è presente l’Atomo più importante che è il Ferro. Il Ferro appartiene alla regione di Transizione nella Tavola Periodica e come tale può legare delle molecole gassose come l’ossigeno grazie al proprio stato di Ossidazione. Affinché il Ferro presente nel gruppo Eme riesca ad assolvere questa importantissima funzione Biologica deve mantenere lo stato di Ossidazione 2+, quindi parliamo di Ferro Ferroso. Intorno ai 4 anelli Pirrolici sono legati dei Sostituenti che possono essere Mono, BI o Tri-Carboniosi che sono gruppi Metilici, Vinilici e Propionici. Il Ferro che si trova al Centro è Esa-Coordinato ossia presenta 6 posizioni di Coordinazione dove 4 sono i legami che va a formare con gli Atomi di Azoto degli anelli Pirrolici e la quinta e sesta posizione sono quelle che si trovano in senso perpendicolare ossia al di sopra e al di sotto del piano individuato dall’anello Tetrapirrolico. La Quinta posizione è quella che lega il Ferro alla proteina grazie alla presenza dell’anello Imidazolico del residuo di Istidina Prossimale. La Sesta posizione di Coordinazione invece è quella che viene occupata dall’Ossigeno. Immagine riepilogativa della Mioglobina. Immagine riepilogativa Emoglobina. APPROFONDIMENTO EME In soluzione acquosa l’Eme non è capace di legare l’Ossigeno Reversibilmente, il Ferro 2+ è quasi istantaneamente ossidato in Ferro 3+, quindi quello che non deve succedere nella proteina è l’Ossidazione del Ferro e cioè il Passaggio allo stato di Ferro Ferrico. Nella Proteina l’Ossigeno si lega al Ferro 2+ dell’Eme dando origine ad una reazione di Ossigenazione e non di Ossidazione. Questo avviene perché come abbiamo detto il ferro si lega alla: - Proteina grazie ad un residuo di Istidina Prossimale; - sull’altro lato in Sesta posizione di coordinazione si trova un altro residuo di Istidina che si chiama Istidina Distale la quale non si lega direttamente con il gruppo eme ma determina una forte stabilizzazione del legame con l’Ossigeno. L’Eme è in contatto con le catene laterali di 16 amminoacidi appartenenti ai segmenti della catena, la maggior parte sono Idrocarburi, fatta eccezione dei due residui di Istidina situata ai lati di questo. Questa zona della proteina diventa difficilmente accessibile in ambiente acquoso. Le Catene laterali non polari della Val-E11 (valina) e Phe-cd1 (Fenilalanina) contribuiscono alle limitazioni steriche ed alla idrofobicità della tasca in cui si lega l’Ossigeno, ed aiutano a mantenere l’Eme in posizione. Il CO (monossido di Carbonio) si lega alle molecole di Eme libero circa 20000 volte più fortemente dell’O2 ma si lega solo 200 volte meglio quando l’eme è presente all’interno della proteina. Questa differenza è in parte dovuta ad interferenze steriche. L’His E7 (Istidina Distale), presente sullo stesso lato dell’eme a cui se lega l’ossigeno è troppo lontano per generare un legame di coordinazione con il Ferro, ma può interagire con il ligando legato all’Eme. Nell’immagine al lato si può notare la struttura terziaria dell’Alfa globina con i segmenti dell’Alfa elica che vanno da A ad H e al centro della tasca Idrofobica è posizionato il gruppo Eme in rosso con al centro del gruppo eme una pallina più grande che è l’atomo di ferro (bisogna ricordare che la nube elettronica del ferro comprende 26 elettroni avendo il ferro n. Atomico 26), le palline più piccole invece sono Carbonio, Ossigeno o Azoto (che hanno una nube elettronica più piccola). Emoglobina è una proteina presente all’interno dei globuli rossi ed essa riesce ad assolvere la propria funzione andando continuamente incontro a Ossigenazione e a De-ossigenazione, quindi a livello polmonare l’Emoglobina interagisce al massimo con 4 molecole di Ossigeno passando dalla forma De-ossigenata a quella Ossigenata. Dal livello polmonare poi passa a livello cardiaco, raggiunge i tessuti periferici e qui subisce una reazione contraria, ossia si passa dall’Ossiemoglobina (emoglobina ossigenata) alla De-ossiemoglobina e quindi l’Ossigeno viene rilasciato a livello periferico. CURVA DI SATURAZIONE O DI DISSOCIAZIONE Sul grafico di fianco è riportato il livello di saturazione delle due proteine di cui stiamo parlando e da come si può notare c’è una notevole differenza di comportamento tra Mioglobina ed Emoglobina soprattutto nella fase di Deossigenazione perché abbiamo detto che la funzionalità dell’Emoglobina è molto più complessa di quella della Mioglobina o meglio l’Emoglobina deve conciliare due cose contemporaneamente ossia essere una proteina efficiente nel legare l'Ossigeno e ugualmente efficiente a rilasciarlo, mentre nella Mioglobina la De-ossigenazione avviene solo in condizioni di ossigeno molto basse. Le subunità dell’Emoglobina tra di loro comunicano in modo tale da rendere la Proteina molto sensibile anche a piccole oscillazione della pressione parziale di Ossigeno (pO2). Ecco quindi una curva Iperbolica per la Mioglobina e quella Sigmoidale per l’Emoglobina. Nel grafico quindi riconosciamo sulle ordinate il livello di Saturazione indicato con la “Y” e il suo valore sarà un numero compreso tra 0 e 1 (sarà 0 quando i numeri dei siti occupati è 0 e sarà 1 quando il numero dei siti occupati corrisponde al numero dei siti totali) questa grandezza può essere espressa anche in percentuale. Sulle Ascisse invece sarà indicato è riportata la concentrazione del Ligando che in questo caso è un gas, ossia O2, parliamo di pressione (per un gas parlare di pressione e parlare di concentrazione è la stessa cosa) infatti qui ritroviamo la lettera “p” che sta proprio per Pressione. L’unità di misura della pressione può essere il Torr (Torricelli) o mmHg (millimetri di mercurio). Un valore a cui bisogna prestare attenzione nel grafico che è la P50 dove ovviamente “P” sta per pressione e “50” sta ad indicare la Saturazione Semi-massimale ossia quel valore di pressione parziale di ossigeno in corrispondenza del quale la proteina è Semi-satura quindi satura a metà. Quindi c’è una correlazione inversa tra il valore di Affinità e la P50 perché più basso è questo valore più alta sarà l’affinità tra la Proteina e il proprio Ligando. Infatti la Mioglobina che mostra un Affinità per l’Ossigeno maggiore di quella dell’Emoglobina ha un valore di P50 molto più basso rispetto all’Emoglobina che ha un valore di 26 e quindi all’incirca 10 volte quello della Mioglobina che è 2.8, ma deve essere Fisiologicamente così perché se l’Emoglobina avesse un’Affinità così alta a livello tissutale l’emoglobina sarebbe molto meno efficiente nel rilasciare l’Ossigeno. Si chiama anche Curva di Dissociazione perché possiamo leggere sia il grafico da sinistra verso destra e quindi seguire la modalità con cui le proteine si Saturano oppure possiamo leggere il grafico da destra verso sinistra andando a considerare come le nostre proteine si Deossigenano. Sul grafico inoltre sono evidenziate in grigio le zone caratterizzate da una maggiore o minore concentrazione di ossigeno, all’estrema destra avremo i Polmoni (Lungs) dove la concentrazione di ossigeno è massima e verso sinistra invece i Tessuti (Tissues) dove la concentrazione di ossigeno è più bassa. Ovviamente l’Emoglobina avrà dei cambi conformazioni molto efficienti, nei polmoni raggiunge il massimo grado di ossigenazione e in periferia (tessuti) comincerà la fase di rilascio perché l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni all’interno della catena metabolica Mitocondriale e quindi per favorire il Metabolismo Ossidativo che senza Emoglobina non potrebbe avvenire. La curva Sigmoidale ha bisogno di un ulteriore commento perché ha una brusca risalita e infatti l’Emoglobina quando dal livello tissutale si sposta a livello polmonare c’è una Cooperatività Positiva perché l’emoglobina si trova di fronte a pressione parziale di ossigeno crescente e questo non fa altro che comunicare alle proprio subunità l’aumento dell’Affinità con l’Ossigeno per l’Emoglobina e quest’ultima verrà spinta verso la massima ossigenazione, ecco spiegata la brusca risalita. Per Cooperatività positiva si intende che il legame della prima molecola di ossigeno alla prima subunità è più difficile rispetto alla seconda, la seconda è più difficile rispetto alla terza e la terza è più difficile rispetto alla quarta. CAMBI CONFORMAZIONI DELL’EMOGLOBINA Le 2 conformazioni che si alternano nell’Emoglobina sono lo stato T e lo stato R: - Stato T o conformazione Tesa: è la conformazione dell’emoglobina nella forma De-ossigenata; - Stato R o conformazione rilasciata: è lo stato di massima affinità per l’ossigeno da parte dell’Emoglobina. Un cambio conformazionale è provocato dal valore della pressione parziale di ossigeno. Per quanto riguarda il cambio conformazionale sono stati proposti 2 modelli: - Modello Concertato: tutte e 4 le subunità contemporaneamente si trovano o nello stato T o nello stato R a prescindere dallo stato di Ossigenazione o De-ossigenazione. - Modello Sequenziale: c’è una coesistenza di conformazioni nello Stato R e quelle nello Stato T e quindi in questo modello è il legame con l’ossigeno che determina un cambiamento conformazionale subunità per subunità. Entrambi i modelli vanno bene per poter giustificare la curva Sigmoidale. DIFFERENZE FRA EMOGLOBINA FETALE E ADULTA Tutto ciò di cui abbiamo parlato fin ora riguarda l’Emoglobina Hb A che sarebbe l’Emoglobina Adulta, ma nel Feto c’è un altro tipo di Emoglobina. Nel grafico di fianco è riportata, oltre ad una tabella con tutti i tipi di Emoglobina una linea verticale che rappresenta il momento della Nascita dove si vede che le unità Alfa che costituiscono il Tetramero dell’adulto sono costanti a partire dal 2 mese di vita, mentre invece le subunità Gamma si trovano al posto delle subunità Beta durante il periodo di vita Fetale. Questa differenza è importante perché le subunità Gamma rispetto alle Beta permettono a Globuli rossi Fetali di ricevere ossigeno dall’Emoglobina Materna. La curva Sigmoidale dell’emoglobina fetale è spostata più verso sinistra rispetto all’Emoglobina Adulta e quindi vuol dire che la P50 avrà un valore più basso e quindi maggiore Affinità che permetterà il passaggio dell’ossigeno dall’Ossiemoglobina Materna alla De-ossiemoglobina Fetale. Tutto questo si ottiene perché Hb F (emoglobina Fetale) è un tetramero costituito da 2 unità Alfa che sono le stesse che abbiamo nell’Hb A e qui però avremo le 2 subunità Beta che sono sostituite dalle 2 Subunità Gamma. La sintesi delle Subunità Gamma poi verrà sostituita intorno al 3 mese di vita dalla sintesi delle Subunità Beta. L’Emoglobina subisce l’influenza nel legare con l’ossigeno, oltre che dall’Ossigeno stesso, che è un Effettore Allosterico Omotropo Positivo (positivo significa che in presenza di una concentrazione crescente dell’ossigeno aumenta l’affinità della proteina per l’ossigeno stesso), anche da una serie di altre sostanze che rappresentano degli Effettori Negativi (negativi nel senso che diminuiscono l’affinità dell’Emoglobina per l’Ossigeno e in particolare parliamo dei Protoni (H+), CO2, Ioni Cloruro (Cl-) e BPG (bisfosfoglicerato che è un frammento Bicarbonioso). Questi sono tutti descritti nel cosiddetto effetto BOHR. H+ e CO2 sono correlati perché: innanzitutto la CO2 rappresenta uno dei maggiori prodotti di scarto del nostro organismo e si ha una certa produzione di base di CO2 nei nostri tessuti che va ad aumentare soprattutto nei tessuti metabolicamente più attivi, tra le varie modalità di espulsione della CO2 c’è l’apparato respiratorio attraverso la fase Espiratoria. Come si può vedere nell’immagine di fianco abbiamo un tessuto che produce CO2 come materiale di scarto e il torrente circolatorio dove sono presenti i Globuli Rossi che legano il Gas ma trasportare un gas non è conveniente e quindi la CO2 una volta che si trova nel plasma sanguigno e quindi in un ambiente acquoso va immediatamente incontro a una reazione di Idratazione che può avvenire lentamente se non ci sono Enzimi e velocemente se invece ce ne sono, infatti a livello dei globuli rossi è presente un enzima che si chiama Anidrasi Carbonica che è un Enzima Ubiquitario che permette di Idratare velocemente la CO2 ad Acido Carbonico (H2CO3) che è più stabile quando si dissocia nei suoi Ioni Costituenti ossia Ione Bicarbonato (HCO3-) e Protone (H+). Così è chiarito il collegamento tra H+ e CO2, ossia quando produciamo molta CO2 si avrà una certa Acidificazione dell’ambiente perché aumentano gli H+. Il Cl- invece centra perché l’HCO3- viene scambiato insieme con uno Ione Cloruro. L’effetto dell’Anidride Carbonica e del pH quindi della concentrazione Idrogenionica o Protonica sul legame dell’Ossigeno con l’Emoglobina è un effetto negativo nel senso che una maggiore concentrazione CO2 e di conseguenze maggiore concentrazione di protoni H+, cioè pH più basso, determinano una diminuzione dell’Affinità e quindi rilascio di ossigeno. Questo è l’Effetto Bohr. A livello Polmonare invece si instaura l’equilibrio chimico inverso e quindi la CO2 viene rilasciata sotto forma di gas perché viene Espirata. L’effetto Bohr ci permette quindi di spostare la curva verso destra e recuperare ossigeno. Un altro recettore Allosterico molto importante è il Bisfosfoglicerato che negli Eritrociti ha una concentrazione di circa 4,7 mM uguale alla concentrazione di Hb. Il BPG stabilizza la struttura quaternaria legando tra di loro le catene Beta e quindi sposta l’equilibrio dallo stato R allo stato T ed è un Effettore Negativo perché favorisce il rilascio di ossigeno. Il Bisfosfoglicerato è un frammento carbonioso che si può ottenere tramite una deviazione della Via Glicolitica. L’azione del BPG costituisce un importante meccanismo di compenso respiratorio: nell’Ipossia (ipossia è una carenza di ossigeno nei tessuti) che si ha, ad esempio, nelle anemie, nell’insufficienza cardiopolmonare e durante la permanenza a quote elevate, la BPG aumenta, introducendo una diminuzione dell’affinità dell’Hb per l’O2 e facilitando il rilascio dell’O2 ai tessuti. L’emoglobina F non è sensibile alla BPG e quindi è stato supposto che la maggiore affinità della Hb F rispetto all’Hb A è dovuta proprio a questa insensibilità della Hb F alla BPG, questo accade perché nella posizione 143 delle catene Beta dell’Hb A c’è l’Istidina che si può legare con BPG che invece viene sostituita dalla Serina nell’Hb F. L’Emoglobina si presta molto bene anche per fare degli esempi per quanto riguarda le mutazioni geniche Puntiformi, ad esempio l’Anemia Falciforme dove c’è la sostituzione di un residuo di Glutammato (amminoacido acido) in posizione delle catene Beta con una Valina (amminoacido Idrofobico) e la sostituzione di questo singolo Nucleotide nel DNA di questi soggetti che mostrano l’Anemia Falciforme ha come conseguenza un patch (una posizione appiccicosa sulla superficie della proteina). Nello stato di Omozigosi questa patologia è incompatibile con la vita perché l’Emoglobina perderebbe completamente la sua funzionalità mentre negli Eterozigoti è compatibile con la vita e l’Emoglobina mutata geneticamente in questo modo viene indicata come Hb S (Emoglobina S). In questo caso le molecole di Emoglobina che presentano in posizione 6 questi residui di Valina si attaccano l’uno all’altro a formare delle Fibrille lunghe e pesanti che impediscono all’Emoglobina di ossigenarsi e deossigenarsi e provocano dei grandissimi dolori perché l’Emoglobina formando queste fibrille va oltre il proprio prodotto di solubilità e precipita all’interno delle cellule ecco perché si chiama Anemia a Cellule Falciformi, i globuli rossi non hanno più questa forma di lente biconcava che corrispondono ad una condizione normale ma assumono questa forma a Falce. Nei casi più gravi ci può essere una rottura della membrana eritrocitaria con conseguente uscita di queste Fibrille di Emoglobina che possono andare a bloccare dei capillari più piccoli, ma anche il globulo rosso stesso data la sua forma può occluderli. QUATTRO LIVELLI DI STRUTTURA DELLE PROTEINE Per ogni proteina è possibile descriverla andando ad analizzare ogni singolo amminoacido oppure allontanare il nostro punto di osservazione distinguere i vari livelli strutturali. Per ogni proteina è possibile descrivere almeno 3 livelli strutturali e questi sono chiamati in maniera molto semplice: struttura Primaria, struttura Secondaria, struttura Terziaria, struttura Quaternaria. In alcune proteine è presente anche la struttura quaternaria, laddove sono presenti almeno due Subunità. 1) Struttura Primaria: è la struttura più importante tra le varie strutture perché sarà quella che determina la presenza delle altre strutture (secondaria, terziaria, quaternaria), quindi appunto sono strettamente correlate, infatti ci sono dei software che prevedono la struttura secondaria e terziaria delle proteine e l’unica informazione è data dalla struttura primaria. La struttura primaria delle proteine non è nient’altro che la sequenza lineare e ordinata degli amminoacidi che costituiscono un determinato filamento polipeptidico o la proteina. È importante conoscere l’ordine con il quale sono uniti tra di loro e infatti la struttura primaria ci da informazioni riguardanti non solo la tipologia degli amminoacidi che compongono la proteina ma anche l’ordine con cui sono legati, questo perché un cambio di posizione di un amminoacido può portare a delle modificazioni strutturali importanti. Abbiamo detto che gli amminoacidi sono tenuti insieme da un legame peptidico che è un legame covalente e il legame covalente presenta l’interazione chimica più forte che ci può essere in natura. Le successive strutture ossia Secondaria, Terziaria e Quaternaria, sono dei livelli strutturali della proteina dove la proteina raggiunge la propria stabilità termodinamica e il mantenimento di una determinata forma della proteina ovviamente corrisponde alla cosiddetta Conformazione Nativa che rappresenta la conformazione entro la quale tale macromolecola svolge la propria funzione biologica. È chiaro che alla base di questi livelli strutturali si stabiliscono delle interazioni chimiche tra le catene laterali degli amminoacidi, tra il gruppo Carbossilico di un amminoacido con il gruppo Amminico dell’amminoacido successivo e queste interazioni chimiche differentemente dalle strutture primarie rientrano nell’altra grande famiglia di legami chimici che sono le cosiddette interazioni deboli o forze non covalenti. Queste interazioni deboli ovviamente sono chiamate così perché hanno una forza di legame molto più bassa rispetto ad un legame covalente perché nel legame covalente noi parliamo di una forza pari a 100/150 KJ/mol le interazioni deboli invece hanno una forza pari a circa 40 KJ/mol. Ovviamente bisogna non sminuire la forza di questi legami perché in questo caso entra in gioco il cosiddetto effetto cumulativo perché è vero che ogni singola forza di legame debole è di molto più bassa rispetto al più debole legame covalente, però le varie piccole forze vanno sommate e quindi la struttura riesce comunque a trovare stabilità termodinamica. (Definizione di energia di legame: è l’energia che bisogna addizionare ad un legame per poterlo rompere e quindi più forte è un legame e maggiore sarà l’energia necessaria per romperlo). 2) Struttura Secondaria: si riferisce alla conformazione locale di alcune parti di un polipeptide e infatti con questo livello di struttura andiamo ad analizzare la proteina a brevi tratti (ad esempio considerando i primi 10 amminoacidi oppure dall’11 al 20 ecc) e quindi vediamo come piccoli segmenti dello scheletro polipeptidico si organizzano uno rispetto all’altro. Un’altra definizione che rende l’idea nella differenza tra una struttura secondaria e una struttura terziaria della proteina è che la struttura Secondaria prende in considerazione le relazioni a piccolo raggio o breve raggio. PRINCIPALI TIPOLOGIE DI STRUTTURA SECONDARIA DI UNA PROTEINA a-Elica (alpha elica): le interazioni a breve raggio che si possono stabilire tra gli amminoacidi in una proteina prevedono l’avvolgimento elicoidale. È uno dei primi processi a cui va in contro una proteina dopo il processo di sintesi ed è stato anche il primo tipo di struttura secondaria che è stato scoperto. In questo caso bisogna immaginare questo avvolgimento polipeptidico come un nastro e questo va ad avvolgersi in senso elicoidale dal basso verso l’alto e si ha questo avvolgimento elicoidale perché dal punto di vista termodinamico è conveniente questa struttura perché permette la massima interazione chimica sotto forma di ponte idrogeno che viene a formarsi tra i vari amminoacidi che si trovano sovrapposti tra un giro e l’altro di questo avvolgimento. L’avvolgimento può essere sia verso destra che verso sinistra e si parla rispettivamente di avvolgimento elicoidale destrorso e avvolgimento elicoidale sinistrorso (a-Elica sinistrorsa). Quello che può variare sono la distanza tra i vari giri dell’elica, chiamato Passo, o il numero di molecole che si trovano in ogni singolo avvolgimento. È stato evidenziato che nella maggior parte dei casi si tratta di avvolgimento elicoidale di tipo destrorso caratterizzato da un numero “n” caratterizzato da circa 4 residui per giro e precisamente sono 3,6 (questo significa che per ogni giro ci sono circa 4 amminoacidi e il passo “p” pari a 0,54 nm. Nell’immagine sopra riportata sono indicati dei + e –, il + indica il gruppo carbossilico e il – il gruppo amminico; mentre i tratteggi blu indicano i vari legami idrogeno che si stabiliscono tra l’azoto amminico di un amminoacido e il gruppo carbossilico del quarto residuo amminoacidico che si trova nel gruppo successivo; infine avremo il delta + che indica il primo amminoacido che è caratterizzato dal gruppo amminico libero e il delta – che indica il gruppo carbossilico libero. Conformazione B (conformazione beta): questa struttura bisogna immaginarla più distesa e non avvolta elicoidealmente come per l’altra struttura solo che la conformazione perfettamente distesa di un filamento polipeptidico sarebbe troppo instabile da punto di vista termodinamico per cui la conformazione B corrisponde ad un filamento polipeptidico non completamente disteso come se fosse in una conformazione a zig zag. A partire da questa conformazione e dall’associazione di vari filamenti polipeptidici si ha la formazione del foglietto B che è dato appunto da due o più catene beta legate da un legame idrogeno. Il foglietto può essere parallelo e antiparallelo e questo è dato sempre dal gruppo carbossi-terminale e gruppo ammino-terminale. 3) Struttura Terziaria: quando andiamo ad analizzare la struttura terziaria delle proteine prendiamo in considerazione, nel caso delle proteine monomeriche, l’organizzazione strutturale dal primo all’ultimo amminoacido. E infatti un altra definizione della struttura terziaria è quella che essa prende in considerazione relazioni ad ampio raggio e questo fa capire bene la differenza tra la struttura Terziaria e Secondaria. In questa conformazione si prendono in considerazione la disposizione degli atomi nello spazio tridimensionale e questo ci permette di distinguere tra proteine fibrose e globulari. 4) Struttura Quaternaria: è una struttura presente nelle proteine che sono formate da almeno 2 subunità e quindi è presente solo nelle proteine multimeriche tra cui è importante la famiglia delle oligomeriche