Tipi di proteine

Tra i tipi di proteine che sono molecole biologiche fondamentali vi sono nucleoproteine, fosfoproteine, selenoproteine, flavoproteine, apolipoproteine, glicoproteine, lipoproteine e metalloproteine

Le proteine sono polimeri i cui monomeri sono costituiti dai venti diversi tipi di amminoacidi presenti in natura. Gli amminoacidi sono composti che contengono nella loro molecola sia il gruppo carbossilico –COOH che il gruppo amminico –NH₂ , basico.

Entrambi questi gruppi funzionali sono legati a un carbonio, chiamato carbonio-α. A questo carbonio, sono legati, inoltre, un atomo di idrogeno e un gruppo denominato genericamente R. Questo, essendo diverso nei 20 amminoacidi, ci consente di differenziarli. Durante la sintesi proteica, un amminoacido lega il suo gruppo carbossilico con quello amminico di un altro amminoacido, formando il legame peptidico con eliminazione di acqua come si può vedere in figura:

Nonostante gli amminoacidi siano solo 20, la varietà di proteine è elevatissima, in quanto gli amminoacidi si combinano tra loro in sequenze e quantità diverse. Le proteine rappresentano una classe di composti molto versatile e di grande interesse biologico.

Funzioni

Esse, a seconda dei casi:

Hanno una funzione strutturale in quanto concorrono a formare l’impalcatura del corpo; ad esempio il collagene è il principale componente fibroso delle ossa, dei tendini, della pelle, delle cartilagini, dei denti; i capelli e le unghie sono costituiti da α-cheratina;

Svolgono funzione catalitica: gli enzimi, infatti, indispensabili catalizzatori biologici sono costituiti da proteine

Fungono da mezzo di trasporto di altre molecole: nel sangue, ad esempio, l’ossigeno viene trasportato dall’emoglobina

Provocano il movimento: ad esempio la contrazione muscolare è resa possibile da due proteine ovvero dall’actina e dalla miosina

Hanno compiti protettivi: gli anticorpi, come le immunoglobuline che sono i più importanti mezzi di difesa dell’organismo sono costituiti da proteine

Concorrono al sistema endocrino: vari ormoni, tra cui l’insulina sono costituiti da proteine

Fungono da riserva di sostanze nutritive: ad esempio l’ovoalbumina del bianco d’uovo e la caseina presente nel latte sono costituiti da proteine

Rappresentano un sistema di controllo del pH del sangue perché limitano le eccessive variazioni di ioni H⁺ dovute al metabolismo cellulare

Le proteine esplicano le loro specifiche funzioni grazie alla loro forma che dipende dalla successione di amminoacidi, dai ripiegamenti della catena proteica e dalla sua organizzazione nello spazio.

Struttura

In tali macromolecole si possono individuare successivi livelli di organizzazione denominati: struttura primaria, secondaria, terziaria e quaternaria.

Struttura primaria

La pura e semplice successione degli amminoacidi costituisce la struttura primaria della proteina. La struttura primaria, cioè tipo e sequenza degli amminoacidi, condiziona la configurazione spaziale e la forma globale della molecola, dalle quali dipendono le proprietà biologiche.

Struttura secondaria

L’avvolgimento a spirale, o la disposizione regolare di tratti più o meno lunghi della catena proteica costituiscono la struttura secondaria della proteina. Questo livello di organizzazione è una conseguenza dei legami a idrogeno tra gli amminoacidi appartenenti a una stessa catena, o tra gli amminoacidi di catene diverse. Due tipi di struttura secondaria delle proteine sono l’α-elica e il β-foglietto

Tra l’atomo di idrogeno legato all’azoto di ogni legame peptidico e l’ossigeno del gruppo –C=O del legame peptidico sovrastante (che si trova a distanza di quattro amminoacidi lungo la catena) si instaura un legame a idrogeno. L’effetto stabilizzante dei molti legami a idrogeno che sono presenti nella proteina è la causa principale dell’esistenza di tale tipo di struttura.

Tuttavia se gli amminoacidi che si succedono lungo un tratto di catena proteica hanno gruppi R voluminosi, come avviene nella prolina, o gruppi R dotati della stessa carica elettrica, come avviene negli amminoacidi lisina e arginina, l’α-elica non può formarsi, a causa delle forze di repulsione che si generano tra i gruppi R.

In definitiva, insieme alla struttura primaria, una proteina può assumere una struttura di l’α-elica, che può essere prevalente o presente in certi tratti, oppure non può assumerla affatto. Le l’α-cheratine, proteine che costituiscono i capelli, la lana e le unghie, hanno come struttura prevalente proprio quella dell’ l’α-elica.

L’elasticità della lana e dei capelli dipende proprio da questa forma delle loro molecole. Infatti, se tiriamo per i due estremi una fibra di lana, la fibra si allunga perché si rompono i legami a idrogeno e le spire dell’ l’α-elica si allontanano l’una dall’altra; se la lasciamo andare la fibra si riaccorcia perché si riformano i legami a idrogeno.

Nella struttura β-foglietto si ha una disposizione di catene proteiche l’una accanto all’altra. Ciascuna delle catene è totalmente estesa e presenta una conformazione a zig-zag, dovuta alla geometria dei legami attorno a ciascun atomo di carbonio e di azoto nella catena. In questo caso, i legami a idrogeno si formano tra gli amminoacidi di due catene adiacenti.

La β-cheratina, proteina che costituisce la seta, ha fondamentalmente questa struttura. Le proteine dotate di questa struttura non possono essere allungate ulteriormente, senza che si rompano i legami covalenti della loro catena. Per questo motivo la seta, a differenza della lana non è elastica.

Struttura terziaria

Esistono proteine la cui molecola ha una forma globulare che è il risultato di ulteriori ripiegamenti della catena proteica, compresi tratti di catena che già possiedono una loro struttura secondaria. Questo terzo livello di organizzazione è la struttura terziaria della proteina. Che si può vedere in figura:

La struttura terziaria di una proteina è la conseguenza di interazioni attrattive tra i gruppi R di amminoacidi anche molto distanti tra loro nella sequenza della struttura primaria della proteina.

A stabilizzare la struttura terziaria della proteina possono concorrere quattro tipi di forze:

Interazioni idrofobe o idrofile: nell’ambiente acquoso della cellula, i gruppi R non polari, idrofobi, della molecola proteica tendono a raggrupparsi all’interno della proteina, in modo da ridurre al minimo i contatti con le molecole d’acqua che la circondano. Invece, i gruppi polari, idrofili, tendono a disporsi verso l’esterno della proteina a contatto con l’acqua
Attrazioni ioniche: si instaurano in genere tra due gruppi, come –NH₃⁺ e –COO^–, l’uno carico positivamente e l’altro negativamente, dei gruppi R di due diversi amminoacidi
Legami idrogeno: derivano dall’attrazione tra gruppi R o si instaurano tra gruppi peptidici come nel caso delle strutture α e β.
Ponti disolfuro: si formano tra gruppi –SH di due molecole dell’amminoacido cisteina; in seguito a una reazione di ossidazione, i due gruppi –SH perdono i rispettivi atomi di idrogeno e si legano tra loro mediante un legame covalente –S-S- come si può vedere in figura:

Struttura quaternaria

Alcuni tipi di proteine sono formate da più di una catena di amminoacidi. Le catene possono essere uguali fra loro, o anche diverse. La disposizione reciproca delle varie catene che compongono una proteina di questo tipo costituisce la struttura quaternaria della proteina.

Le interazioni possono essere legami deboli come legame a idrogeno e forze di Van der Waals, oppure forti ossia ionico o covalente. Una proteina con struttura quaternaria è l’emoglobina. Essa è costituita da quattro catene proteiche, a due a due uguali, denotate rispettivamente dalle lettere α e β.

Ognuna di queste catene contiene un gruppo eme, cioè una struttura ciclica, chiamata anello porfirinico, con al centro uno ione Fe²⁺ ; a questo ione si lega una molecola di ossigeno, che viene trasportata dai polmoni alle cellule del corpo.

Nucleoproteine

Le nucleoproteine sono quei tipi di proteine associate agli acidi nucleici, ai ribosomi e alle lipoproteine spesso utilizzate per il trasporto di lipidi e proteine.

Possono svolgere ruoli funzionali come enzimi, o strutturali, come con gli istoni nella formazione della cromatina. In esse il contenuto di acidi nucleici può variare dal 31 al 66%.

Tra i tipici esempi vi sono i ribosomi, i nucleosomi e le proteine del nucleocapside virale. Sono sintetizzate nel citosol delle cellule infatti quando la soluzione proteica è miscelata con una soluzione nucleica, il componente dell’acido fosforico presente nell’acido nucleico è combinato con i gruppi ammonio caricati positivamente della proteina per formare un complesso proteina-acido nucleico

Struttura delle nucleoproteine

Le tecniche per rilevare le strutture delle nucleoproteine includono la diffrazione dei raggi X , la risonanza magnetica nucleare e la microscopia crioelettronica in cui il campione è studiato a temperature criogeniche, generalmente alle temperature dell’azoto liquido.

La parte proteica è costituita da protammine ovvero proteine nucleari molto basiche per l’alto contenuto di arginina o istoni ovvero proteine basiche che costituiscono la componente strutturale della cromatina legate a DNA o RNA

Tra i tipi di proteine vi sono le nucleoproteine, complesso facilmente dissociabile la cui integrità è governata tra l’altro dal pH del suo mezzo, dalla concentrazione e dalla natura dei sali presenti.

Deossiribonucleoproteine

Le deossiribonucleoproteine sono tipi di proteine costituite da DNA e istoni in un rapporto di circa 1:1 e proteine non istoniche, che insieme formano i cromosomi di qualsiasi organismo eucariotico. Un esempio è costituito dai nucleosomi, complessi in cui il DNA genomico è avvolto attorno a gruppi di otto proteine istoniche nei nuclei delle cellule eucariotiche per formare la cromatina. Durante la spermatogenesi le protamine sostituiscono gli istoni. Le deossi ribonucleoproteine più diffuse sono i nucleosomi, in cui il componente è il DNA nucleare. Sono anche coinvolte nella ricombinazione omologa, processo di riparazione del DNA

Ribonucleoproteine

Le ribonucleoproteine sono tipi di proteine costituite da RNA e proteine presenti nel nucleo e nel citoplasma che svolgono ruoli chiave in un gran numero di diversi processi cellulari. Hanno funzioni che includono la trascrizione, la traduzione, la regolazione dell’espressione genica e la regolazione del metabolismo dell’RNA

Un esempio è costituito dalla telomerasi enzima che aggiunge sequenze ripetitive di DNA non codificante al terminale 3′ dei filamenti di DNA nelle regioni dei telomeri. Un altro esempio è costituito dai ribosomi responsabili della sintesi proteica la cui funzione è quella di leggere le informazioni contenute nella catena di RNA messaggero.

Proteine del nucleocapside virale

Il nucleocapside (N) è costituito da acido nucleico e capside che, in un virus, costituisce la struttura proteica che racchiude l’acido nucleico del virus e lo protegge dall’ambiente esterno.

Il COVID-19, identificato in Cina per la prima volta nel gennaio 2020 è una patologia infettiva causata dal virus SARS-CoV-2 che condivide una sostanziale conservazione della sequenza con altre proteine nucleocapsidiche dei coronavirus. La proteina N svolge un ruolo importante nelle prime fasi dell’infezione virale quando il genoma dell’RNA è rilasciato per la prima volta nella cellula ospite bersaglio.

Una particella virale di CoV-19 ha un nucleocapside costituito dall’RNA genomico e ricoperto di proteine fosforilate che interagiscono con la membrana virale svolgendo un ruolo importante nel potenziare la replicazione del virus. L’RNA genomico e il nucleocapside sono avvolti da un doppio strato di fosfolipidi in cui sono vi sono diverse proteine che hanno un ruolo fondamentale per l’infezione e la replicazione ovvero la proteina S, la proteina di membrana (M), l’emoagglutinina-esterasi (HE) e la proteina del rivestimento (E). La comprensione della struttura delle nucleoproteine, il loro meccanismo di azione e la loro capacità di replicazione ha consentito agli scienziati di ottenere i vaccini che hanno consentito una forte limitazione alla pandemia

Fosfoproteine

Tra i tipi di proteine vi sono le fosfoproteine, polimeri di origine naturale che si trovano sia nel regno animale che vegetale

Come le altre proteine, contengono gruppi idrofili, come –O–, –COOH, –OH e –NH. Differiscono notevolmente nel numero e nel tipo di residui di amminoacidi fosforilati. Infatti, un gran numero di proteine può essere fosforilato su più di un residuo amminoacidico da più di un tipo di protein-chinasi come la tirosina idrossilasi.

Le protein-chinasi, enzimi appartenenti al gruppo delle chinasi, modificano altre proteine aggiungendo ad esse un gruppo fosfato.

Le fosfoproteine sono caratterizzate dalla presenza di acido fosforico esterificato con gli ossiamminoacidi serina e treonina. Poiché una o due funzioni acide dell’acido fosforico sono libere hanno carattere acido

Le fosfoproteine sono solitamente coinvolte nelle vie di trasduzione del segnale che sono alla base di molti processi cellulari.

Costituiscono esempi la caseina, la sinapsina e la fosvitina

Caseina

È la prima fosfoproteina ad essere scoperta nel 1883 e l’enzima responsabile della sua fosforilazione è stato identificato solo 130 anni dopo, nel 2012

La caseina è la componente proteica più importante del latte, sia quantitativamente che nutrizionalmente, rappresentando circa l’80% dell’azoto totale del latte.

È una fonte molto ricca di amminoacidi essenziali , con l’unica possibile eccezione della cisteina. La caseina è una miscela di fosfoproteine di diverso peso molecolare. È un colloide liofilo simile all’albumina e alla gelatina

Le frazioni di caseina sono organizzate in aggregati micellari che contengono anche cationi bivalenti come Ca²⁺ e Mg²⁺ . Questa struttura consente una dispersione altamente stabile di frazioni idrofobiche in uno stato colloidale mediante l’azione di legami idrofili.

Sinapsina

Le sinapsine sono una famiglia di fosfoproteine che si trovano in quasi tutte le sinapsi del sistema nervoso. Sono state le prime proteine presinaptiche ad essere identificate e sono anche le più abbondanti sulle vescicole sinaptiche. Poiché sono coinvolte nella sinaptogenesi e nella plasticità neuronale la loro alterazione può causare disturbi neurologici come il morbo di Alzheimer l’epilessia, la schizofrenia, la sclerosi multipla e il disturbo dello spettro autistico

Fosvitina

La fosvitina è una delle fosfoproteine del tuorlo d’uovo conosciute per essere la proteina più fosforilata che si trova in natura. È costituita da 217 residui di amminoacidi che comprendono una regione centrale di 99 amminoacidi di cui 80 molecole di serina, raggruppate in sequenze di massimo 14 residui intervallati da arginina, lisina e asparagina.

L’abbondanza relativa di gruppi tra fosfato e serina nella sequenza di amminoacidi della fosvitina conferisce alla proteina una grande porzione idrofila centrale circondata da due piccole parti idrofobiche presenti rispettivamente nell’azoto terminale e nel carbonio terminale. A causa del suo carattere polianionico possiede una proprietà di chelazione dei metalli molto forte e il 95% di Fe nel tuorlo d’uovo è complessato insieme alla fosvitina.

Selenoproteine

Tra i tipi di proteine vi sono le selenoproteine che contengono uno o più residui dell’amminoacido selenocisteina che è un analogo della cisteina in cui un gruppo selenolo sostituisce un gruppo tiolico.

La maggior parte di queste proteine catalizza alcune reazioni di ossidoriduzione a cui partecipa il selenolo della selenocisteina presente nel sito attivo del rispettivo enzima. Il vantaggio di avere un selenolo al posto di un tiolo sta nel fatto che conferisce a questi enzimi una maggiore efficienza cinetica.

In alcuni sistemi biologici, le selenoproteine possono anche svolgere un ruolo strutturale a causa della loro capacità di oligomerizzare le proteine attraverso la formazione di diseleniuro o ponti misti disolfuro-seleniuro.

Funzioni

Le selenoproteine sono tipi di proteine che agiscono come antiossidanti per la regolazione della tiroide, aumentano la fertilità maschile e agiscono da antinfiammatori.

Partecipano anche indirettamente al meccanismo di guarigione delle ferite come riduttori dello stress ossidativo. La glutatione perossidasi è la principale selenoproteina presente nel corpo umano, che aiuta nel controllo della produzione eccessiva di radicali liberi nel sito dell’infiammazione. Protegge l’organismo dallo stress ossidativo catalizzando la riduzione del perossido di idrogeno, degli idroperossidi lipidici e degli idroperossidi organici in acqua o alcoli corrispondenti.

Oltre alla glutatione perossidasi, altre selenoproteine includono la selenoproteina-S che regola le citochine infiammatorie e la selenoproteina-P che funge da induttore dell’omeostasi.

La loro attività dipende da un adeguato apporto di selenio dalla dieta e vi sono molte risorse alimentari di selenio di origine vegetale e animale, come cipolla, aglio, carne e frutti di mare.

Glutatione perossidasi

Le glutatione perossidasi (GPxs) sono una famiglia di enzimi appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi

Sono enzimi citosolici che catalizzano la riduzione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno, oltre a catalizzare la riduzione dei radicali perossidici.

H₂O₂+ 2 glutatione → H₂O + glutatione ossidato

La forma ridotta del glutatione GSH e la forma ossidata del glutatione GSSG agiscono insieme ad altri composti redox-attivi come il NADPH per mantenere e regolare lo stato redox cellulare.

Selenoproteina-S

La selenoproteina- S si localizza principalmente sulla membrana del reticolo endoplasmatico e partecipa al trasporto della membrana intracellulare e al mantenimento dei complessi proteici legandoli alla membrana ER.

Selenoproteina-P

È l’unica selenoproteina eucariotica conosciuta che contiene più residui di selenocisteina e presenta il dominio terminale e il dominio N terminale.

Essa è una glicoproteina che contiene oltre il 50% del contenuto di selenio nel plasma. Anche se la sua funzione non è ancora del tutto chiara sembra molto probabile che abbia una funzione come antiossidante extracellulare

Flavoproteine

Le flavoproteine sono tipi di proteine che contengono uno dei due derivati nucleotidici della riboflavina: il flavina adenina dinucleotide (FAD) o il flavina mononucleotide (FMN)

Le flavoproteine sono tra i tipi di proteine coinvolte in un’ampia gamma di processi biologici, compresi i processi fondamentali come la fotosintesi, la glicolisi, la bioluminescenza e la riparazione del DNA

Esse sono coinvolte nel trasferimento di atomi di idrogeno da un donatore a un accettore. Pertanto, sono essenziali per rimuovere i radicali liberi, che sono coinvolti nello stress ossidativo.

Sono proteine gialle infatti loro nome deriva dal latino flavus che significa giallo. Fungono da enzimi fondamentali per la capacità delle cellule del corpo di respirare, respirare o utilizzare l’ossigeno catalizzando reazioni di ossidoriduzione.

Il medico tedesco Otto Heinrich Warburg, pioniere nella ricerca sulla respirazione delle cellule, scoprì per primo l’enzima giallo. Vinse il Premio Nobel per la medicina nel 1931 “per la sua scoperta della natura e del modo di azione dell’enzima respiratorio”.

Tipi di flavoproteine

Le flavoproteine appartengono alla classe delle ossidoreduttasi e catalizzano determinate reazioni tra esse vi sono:

D-amminoacido ossidasi presenta ampia specificità per D-amminoacidi e catalizza la reazione:

D-amminoacido + H₂O + O₂ ⇄ 2-ossoacido + NH₃ + H₂O₂

glucosio ossidasi catalizza la seguente reazione:

β-D-glucosio + O₂⇄ D-glucono-1,5-lattone + H₂O₂

glicina ossidasi catalizza le seguenti reazioni:

glicina + H₂O + O₂ ⇄ gliossilato + NH₃ + H₂O₂

D-alanina + H₂O + O₂ ⇄ piruvato + NH₃+ H₂O₂

sarcosina + H₂O + O₂ ⇄ gliossilato + metilammina + H₂O₂

N-etilglicina + H₂O + O₂ ⇄ gliossilato + etilammina + H₂O₂

vanillil-alcol ossidasi catalizza la seguente reazione:

vanillil alcol + O₂ ⇄ vanillina + H₂O₂

La vanillil-alcol ossidasi di Penicillium simplicissimum contiene un FAD legato covalentemente.

nitrogenasi o flavodossina, complesso di due proteine contenenti centri ferro–zolfo e molibdeno catalizza la reazione:

6 flavodossina ridotta + 6 H⁺ + N₂ + n ATP ⇄ 6 flavodossina ossidata + 2 NH₃ + n ADP + n fosfato

ferredoxina-NADP+ reduttasi catalizza la seguente reazione:

2 ferredoxina ridotta + NADP⁺ + H⁺ ⇄ 2 ferredoxina ossidata + NADPH

Apolipoproteine

Le apolipoproteine sono tipi di proteine che si combinano insieme a trigliceridi, colesterolo e suoi esteri e fosfolipidi.

Le apolipoproteine formano le lipoproteine ovvero macromolecole complesse idrosolubili composte da un componente lipidico idrofobo e da una o più proteine idrofile specifiche delle quali le apoproteine costituiscono il componente proteico

Questo processo consente la solubilizzazione dei lipidi nel plasma. Pertanto, le lipoproteine forniscono un sistema di trasporto per i lipidi.

Funzioni

Sono tipi di proteine importanti non solo nel mantenere l’integrità strutturale delle lipoproteine e quindi nel facilitare la solubilizzazione dei lipidi, ma svolgono anche un ruolo importante nel riconoscimento dei recettori lipoproteici e nella regolazione di alcuni enzimi nel metabolismo delle lipoproteine.

Hanno la funzione di:

trasportare e ridistribuire i lipidi a tessuti periferici
agire come cofattore di alcuni enzimi coinvolti nel metabolismo dei lipidi
mantenere la struttura e l’integrità delle lipoproteine.

Le apolipoproteine si distinguono in: apo-A, apo-B, apo-C e apo-E

apo-A

Nelle apo-A vi sono:

apo-A I che è il principale componente del colesterolo HDL noto come colesterolo buono. L’HDL è un tipo di lipoproteina che trasporta le molecole di colesterolo presenti nel sangue rimuovendo il colesterolo in eccesso e portandolo al fegato dove è eliminato

apo-A II che è la seconda proteina più abbondante tra le particelle di lipoproteina ad alta densità. Insieme all’apo-A I è coinvolta nel trasporto dei lipidi

apo-A IV che è uno dei principali componenti proteici dei chilomicroni. È coinvolta in molti processi fisiologici come l’assorbimento e il metabolismo dei lipidi, l’aggregazione piastrinica e l’omeostasi del glucosio

apo-B

Nelle apo-B vi sono:

apo-B 100 che è coinvolta nel metabolismo dei lipidi. È la principale proteina costituente le lipoproteine come le lipoproteine a bassissima densità (VLDL) e le lipoproteine a bassa densità (LDL)

apo-B 48 che è l’unico marcatore specifico delle particelle di chilomicroni intestinali e trasporta lipidi esogeni derivati dagli alimenti al fegato e ai tessuti periferici

apo-C

Nelle apo-C vi sono:

apo-C1, si associa a VLDL e LDL ed la più piccola di tutte le apolipoproteine, partecipa al trasporto e al metabolismo dei lipidi.

apo-C2, che è una proteina costituita da 79 amminoacidi, di origine epatica, presente nei chilomicroni, VLDL e lipoproteine a densità intermedia (IDL)

apo-C3, è associata anch’essa a VLDL, LDL e chilomicroni e inibisce la lipoproteina lipasi

apo-C4, è associata principalmente alle VLDL

apo-D

L’apo-D una componente della frazione di lipoproteine ad alta densità del plasma umano. Prodotta principalmente nel cervello e nei testicoli è associato all’enzima lecitina colesterolo aciltransferasi, enzima coinvolto nel metabolismo delle lipoproteine.

apo-E

Favorisce il trasporto dei lipidi nel sangue. E’ riconosciuta da specifici recettori presenti sulla superficie delle cellule a cui si lega. Tale legame permette l’ingresso dei lipidi all’interno delle cellule

Glicoproteine

Le glicoproteine sono tipi di proteine a cui sono legati carboidrati in modo covalente. Si trovano in tutti gli organismi viventi in forme sia solubili che insolubili con funzioni e proprietà diverse.

Il contenuto di carboidrati nelle glicoproteine varia da meno dell’1% a oltre l’80% della molecola.

I carboidrati legati alle proteine possono essere a volte ramificati e costituiti da:

Monosaccaridi come glucosio, galattosio, mannosio e xilosio
Zuccheri contenenti un gruppo amminico come l’ N-acetilglucosammina o l’ N-acetilgalattosammina
Zuccheri che hanno un gruppo carbossilico come l’acido sialico

La storia delle glicoproteine risale al 1805, quando lo scienziato britannico John Bostock caratterizzò per la prima volta le mucose respiratorie animali. Trovò una sostanza diversa dalle proteine sebbene l’interesse dei biochimici nei confronti di questa scoperta avvenne dopo circa venti anni.

Classificazione

Sono classificate come:

glicoproteine tipiche come le immunoglobuline G. In esse il carboidrato è costituito da un oligosaccaride con catene ramificate e irregolari costituite da monosaccaridi neutri, basici e acidi
glicosaminoglicani come l’eparina costituite da sono lunghe catene lineari. Esse sono formate da unità di disaccaridi che si ripetono alternando un amminosaccaride al posto di un semplice gruppo funzionale idrossilico e un monosaccaride in genere acido
collageni che rappresentano uno dei principali gruppi di proteine presenti nel regno animale, presenti negli organismi multicellulari che vanno dalle spugne ai mammiferi.

Glicoproteine O-Linked e N-Linked

Un altro metodo per classificare le glicoproteine tiene conto del sito di attacco del carboidrato a un amminoacido nella proteina. La glicosilazione è una delle più comuni modificazioni post traduzionali delle proteine.

Le glicoproteine O-Linked sono quelle in cui il carboidrato si lega all’atomo di ossigeno della serina o della treonina

Le glicoproteine N-Linked sono quelle in cui un oligosaccaride ad un atomo di azoto del gruppo amminico dell’asparagina

Funzioni

A causa della grande varietà di glicoproteine esse svolgono molte funzioni nel corpo. Tra i molti esempi vi è l’FSH (ormone follicolo-stimolante) che è un eterodimero composto da due glicoproteine. Vi sono poi le mucine secrete nel muco delle vie respiratorie e digestive dove possono trattenere l’acqua, consentendo così al muco di fungere da lubrificante efficace. Un altro esempio è dato dall’eritropoietina ormone prodotto principalmente a livello renale e, in piccola parte, dal fegato. La sua azione è di fondamentale importanza per la produzione dei globuli rossi, responsabili del trasporto dell’ossigeno dai polmoni verso tutto l’organismo.

Lipoproteine

Le lipoproteine tipi di proteine costituite da una parte proteica e da una parte lipidica deputati alla raccolta e al trasporto nel plasma di lipidi.

I lipidi, a causa della loro scarsa solubilità in ambiente acquoso, non possono circolare liberamente e necessitano di un sistema di trasporto idoneo che è costituito dalle lipoproteine dette plasmatiche.

Lipoproteine plasmatiche

Queste ultime sono tipi di proteine con forma sferica in cui, nello strato esterno vi sono apolipoproteine e fosfolipidi con i gruppi polari rivolti verso l’esterno mentre all’interno sono presenti trigliceridi e colesterolo esterificato che, essendo apolari, interagiscono con la parte interna apolare dell’involucro fosfolipidico. Le apolipoproteine fungono da componente strutturale, da leganti per i recettori e da cofattori per gli enzimi

Classificazione

Le lipoproteine, che differiscono nella composizione di apolipoproteine e lipidi sono abitualmente classificate sulla base della loro densità.

Chilomicroni che hanno la minore densità e dimensioni maggiori e raccolgono i trigliceridi e il colesterolo assunti negli alimenti a livello dell’intestino tenue

Vi sono poi lipoproteine a

densità molto bassa VLDL vengono secrete nel fegato e contengono una notevole quantità di trigliceridi, colesterolo libero ed esterificato, fosfolipidi e proteine
bassa densità LDL comunemente note come “colesterolo cattivo” che trasportano colesterolo, colesterolo esterificato e trigliceridi nelle pareti delle arterie. Una elevata presenza di LDL nel sangue dovuta a fattori genetici o a una alimentazione eccessiva o poco sana, aumenta la quantità e lo spessore delle placche aterosclerotiche che poi portano a patologie quali aterosclerosi. L’otturazione delle arterie causata da queste placche porta poi frequentemente a degli infarti di tipo cardiaco o cerebrale
densità intermedia IDL si formano dalla degradazione delle VLDL e contengono prevalentemente colesterolo esterificato e trigliceridi. Nonostante il nome le IDL hanno densità intermedia tra le LDL e le VLDL. Come le LDL possono dar luogo alla formazione di placche aterosclerotiche.
alta densità HDL comunemente note come “colesterolo buono”. Esso è in grado di rimuovere il colesterolo presente nelle placche aterosclerotiche e trasportarlo al fegato. Sono le lipoproteine più piccole e a maggiore densità e contengono il maggior rapporto tra proteine e lipidi.

Colesterolo

Quando sono effettuate le analisi cliniche uno dei parametri è il colesterolo totale. Esso è dato dalla somma delle quantità di LDL e di HDL riscontrate nel sangue

Un elevato valore di HDL costituisce un fattore di rischio per le patologie cardiovascolari. Tuttavia bisogna tener presente oltre al il valore di colesterolo totale anche il rapporto LDL/HDL che dovrebbe essere inferiore a 3. Infatti anche se il valore di colesterolo totale rientra nella norma ma la quantità di HDL è elevata ovvero il rapporto LDL/HDL è maggiore di 3 rimane comunque elevato il rischio di patologie che diventa ancora maggiore se sono presenti anche elevate quantità di trigliceridi.

Metalloproteine

Le metalloproteine sono tipi di proteine contenenti uno o più ioni metallici uguali o diversi come ferritina, emoglobina e mioglobina

L’associazione dei metalli con le proteine fu riconosciuta fin da quando le proteine iniziarono ad essere individuate chimicamente.

Ad esempio, già nel XIX secolo era stata accertata la presenza di rame nella emocianina dei molluschi e del ferro nella emoglobina dei cani. Successivamente fu scoperto che i metalli partecipano al trasporto di ossigeno e alla catalisi enzimatica.

Il 1950 costituisce una data importante per lo studio delle metalloproteine infatti fu indagata per la prima volta la struttura di una proteina tramite la tecnica dei raggi X che rivelò la presenza di un metallo.

Attualmente si stima che circa la metà delle proteine naturali contengano un metallo. I siti in cui sono presenti i metalli sono i responsabili dell’azione catalitica di processi biologici importanti quali, ad esempio, la fotosintesi clorofilliana e la respirazione. Nelle metalloproteine lo ione metallico è usualmente coordinato ad atomi di azoto, ossigeno e zolfo.

I complessi dei metalli con le proteine sono classificati come metalloproteine o complessi metallo-proteina in base alla stabilità termodinamica dei loro aggregati.

Gli atomi metallici sono così fortemente legati da non essere allontanati dalla proteina durante i processi di isolamento e purificazione della proteina presentando una costante di associazione > 105. Quando il metallo è legato debolmente la sua associazione alla proteina è biologicamente e chimicamente meno importante e a tali composti viene dato il nome di metallo-proteina.

Funzioni enzimatiche

Quando la metalloproteina contiene un metallo cataliticamente attivo, l’associazione di un particolare metallo con l’apoenzima ovvero l’enzima senza metallo suggerisce un ruolo biologico specifico per il metallo nel sistema.

Infatti, dializzando, per esempio, un metalloenzima con leganti specifici si riesce a sequestrare il metallo e l’apoenzima rimasto non ha più attività catalitica. Talvolta in questo processo l’apoenzima si modifica strutturalmente in maniera irreversibile e, aggiungendo nuovamente lo ione metallico, non si instaura nuovamente la funzione catalitica.

Altre volte basta aggiungere un sale dell’appropriato metallo alla soluzione contenente l’apoenzima per riottenere il metalloenzima. Spesso è possibile rimpiazzare lo ione “nativo” di un metalloenzima con altri ioni ottenendo così un altro metalloenzima ancora cataliticamente attivo. Ciò accade, in particolare, per sostituzione dello zinco (II) nativo con Co(II) come nel caso della carbossipeptidasi, anidrasi carbonica e le deidrogenasi alcolica, malica ecc.

Questi due ioni in effetti sono molto simili dal punto di vista della chimica di coordinazione, in quanto hanno dimensioni e costanti di stabilità simili e la stessa preferenza per le coordinazioni tetraedrica, ottaedrica e pentacoordinata nell’ordine. Lo ione metallico può essere sostituito anche in metalloproteine enzimaticamente non attive senza apparenti cambiamenti.

Gruppi donatori

Un problema di fondamentale importanza in bioinorganica è quello di individuare i gruppi donatori della proteina e la geometria intorno al metallo per comprendere al meglio il ruolo del metallo nel processo enzimatico. I metalli delle metalloproteine possono partecipare al trasporto di ossigeno e nell’attivazione di uno zimogeno ovvero di un precursore inattivo di un enzima.

Per esempio ferro e rame possono agire come trasportatori di ossigeno rispettivamente nelle emeritrine, pigmenti respiratori, e nella emocianina, proteina utilizzata da artropodi e molluschi come proteina respiratoria contenente due atomi di rame che sono in grado di legare reversibilmente una molecola di O2. Sia questi ioni, sia il molibdeno possono accettare elettroni e trasferirli a un altro gruppo come nel caso delle ferrodossine, dei cuproenzimi e delle metalloflavoproteine. Le transferrine e le conalbumine trasportano ferro.

Attività enzimatica

I meccanismi dell’attività enzimatica del metallo si esplicano:

1) Nel legare substrati, cofattori o ambedue

2) Nell’attivazione del complesso enzima-substrato una volta formato

3) Nel mantenimento della struttura quaternaria, terziaria o secondaria delle proteine

4) Nel trasferimento di elettroni in processi ossidativi

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