Folding e denaturazione delle proteine

Il folding e denaturazione delle proteine proteine sono dovuti a diversi fattori quali elevate temperature, valori di pH particolari e sostanze chimiche.

Sia il folding che la denaturazione delle proteine provocano variazioni della loro struttura ma sotto aspetti diversi

Folding

Il folding delle proteine è un processo spontaneo dovuto a interazioni idrofobiche, legami a idrogeno e forze di van der Waals
Le proteine sono polimeri costituiti da α-amminoacidi che in condizioni normali di pH, temperatura e forza ionica si dispongono secondo una geometria tridimensionale.

Struttura primaria

Le catene laterali dei venti amminoacidi che costituiscono le proteine hanno gruppi funzionali diversi come ad esempio –OH, -SH, -COOH, -NH₂, – CONH₂. La sequenza degli amminoacidi presenti in una proteina costituisce la sua struttura primaria.

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. I due tipi di struttura secondaria delle proteine sono l’α-elica e il β-foglietto

Struttura terziaria

Esistono proteine la cui molecola ha una forma 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.

Le interazioni intermolecolari che giocano un ruolo fondamentale per la struttura e per la stabilità della proteina sono state studiate:

• con metodi termodinamici
• con metodi spettroscopici

per comprendere e quantificare questo tipo di interazioni.

Nell’ambito di tali interazioni risulta particolarmente interessante l’effetto idrofobico che è considerato responsabile del folding delle proteine globulari in cui i residui con catene laterali idrofobiche si ripiegano verso l’interno della proteina lasciando esposti al solvente in superficie residui polari.

Kauzmann introdusse già alla fine del 1950 il concetto di idrofobicità per spiegare la complessità del folding delle proteine.

L’acqua tende a formare gabbie ordinate intorno ai gruppi non polari (idratazione idrofobica) che porta ad una diminuzione di entropia del sistema. Queste molecole di acqua acquistano entropia quando sono rilasciate dopo che le superfici idrofobiche sono messe in contatto tra loro. L’acqua è quindi fondamentale nel folding delle proteine ​​a causa del suo ruolo nella definizione attrazioni idrofobiche.

Fattori termodinamici

I fattori termodinamici che danno luogo all’effetto idrofobico sono complessi e ancora non completamente compresi. La variazione di energia libera dovuta al trasferimento di un composto non polare da una soluzione organica all’acqua è data da:

ΔG_tr = ΔH_tr – TΔS_tr

A temperatura ambiente il contributo entalpico è trascurabile mentre la variazione di entropia è negativa in quanto l’acqua tende a formare una struttura ordinata intorno alla molecola non polare con una conseguente diminuzione di entropia.

Il processo di idratazione risulta pertanto energeticamente sfavorito e quindi le molecole apolari rendono a raggrupparsi riducendo la massimo la superficie di esposizione al solvente.

L’effetto idrofobico è visto come una combinazione dell’effetto di idratazione (effetto entropico) e di interazioni di van der Waals tra molecole di soluto (effetto entalpico).

L’effetto idrofobico porta al collasso idrofobico che consiste nel ripiegamento delle proteine in cui parti idrofobiche della catena polipeptidica si ripiegano verso l’interno della proteina e quindi contribuisce alla stabilità termodinamica dello stato ripiegato.

Recentemente diverse patologie sono state associate a errori nel folding: un’alterazione del folding proteico (misfolding)  può infatti provocare malattie di tipo degenerativo. Un esempio di malattia connessa con folding errato è la fibrosi cistica causata da mutazioni nel gene che codifica la proteina regolatrice transmembrana della fibrosi cistica. Anche nel caso dell’encefalopatia spongiforme degli ovini e della sindrome della mucca pazza, l’agente patogeno è una proteina che non è andata incontro a un folding corretto.

La caratteristica delle malattie da misfolding consiste nel fatto di essere provocate da cambiamenti della struttura proteica piuttosto  che dalla presenza di un agente patogeno quale un virus o un batterio. La loro scoperta ha aperto un capitolo completamente nuovo nella ricerca clinica.

Denaturazione

Quando una proteina è soggetta a variazioni di temperatura o di pH o si trova a contatto con determinate sostanze chimiche si può verificare una alterazione della struttura terziaria e secondaria.

Poiché le reazioni di denaturazione non sono così forti da provocare la rottura dei legami peptidici la struttura primaria, ovvero la sequenza di amminoacidi rimane inalterata.

È invece alterato il livello di organizzazione tra gli amminoacidi appartenenti a una stessa catena o tra gli amminoacidi di catene diverse. Si formano infatti legami a idrogeno che determinano le strutture ad α-elica o β-foglietto.

Possono essere inoltre distrutti i quattro tipi di forze che possono concorrere a stabilizzare la struttura terziaria delle proteine ovvero le interazioni idrofobe o idrofile, le attrazioni ioniche, i legami a idrogeno e i ponti disolfuro.

Vi sono molti reagenti e condizioni che denaturano una proteina e si può spesso osservare un fenomeno di precipitazione o di coagulazione. Quando una proteina è denaturata perde la sua funzione biologica come avviene, ad esempio, nel caso degli enzimi che non riescono più a legarsi al sito attivo.

Può avvenire che una volta rimosso l’agente denaturante la proteina, della quale non è stata cambiata la struttura primaria ritorni allo stato di partenza.

Spesso, tuttavia, il processo è irreversibile come, ad esempio, la cottura di un uovo in cui è denaturata l’albumina in esso contenuta.

Fattori che determinano la denaturazione

I fattori che determinano la denaturazione di una proteina sono:

Calore

Il calore distrugge i legami a idrogeno e le interazioni idrofobiche in quanto esso aumenta l’energia cinetica e la vibrazione delle molecole porta a una rottura di tali legami. Molti cibi sono cotti al fine di denaturare le proteine rendendo possibile il loro metabolismo ad opera di enzimi. Le apparecchiature mediche sono sterilizzate per riscaldamento al fine di denaturare le proteine contenute nei batteri.

Acidi e basi

I ponti salini presenti nelle proteine dovuti alla combinazione di legami a idrogeno e interazioni elettrostatiche tra l’anione carbossilato RCOO^– e lo ione ammonio  RNH₃⁺ contribuiscono alla struttura di una proteina. La presenza di acidi o di basi rompe i ponti salini con conseguente denaturazione. Questa reazione si verifica, ad esempio, durante da digestione quando i succi gastrici che hanno un basso valore di pH provocano la coagulazione del latte.

Alcol

Le proteine possono essere denaturate in presenza di alcuni tipi di alcol che rompono i legami a idrogeno. In particolare l’etanolo è un ottimo denaturante: una soluzione alcolica al 70% viene usata per disinfettare la pelle infatti è in grado di penetrare la parete cellulare batterica denaturandola

Sali di metalli pesanti

Modo di azione

I sali di metalli pesanti denaturano le proteine agendo nello stesso modo degli acidi e delle basi. Sali contenti metalli pesanti come Hg²+, Pb²⁺ ,Ag⁺, Tl⁺ e Cd²⁺ distruggono i ponti salini presenti nelle proteine. Essi reagiscono con i gruppi funzionali carichi negativamente formando legami covalenti. Gli ioni metallici precipitanti sono caratterizzati da un elevato rapporto carica / raggio atomico come Al³⁺ .

Ad esempio il nitrato di argento è dotato di attività antisettica, germicida ed astringente in quanto lo ione argento è in grado di denaturare e precipitare le proteine.  Il meccanismo di precipitazione si basa sull’interazione degli ioni Ag⁺ con i gruppi polari presenti negli amminoacidi che costituiscono il biopolimero proteico.

I gruppi funzionali degli amminoacidi che sono coinvolti principalmente sono il gruppo tiolico -SH, il gruppo amminico e il gruppo carbossilico.

Lo ione mercurio, contenuto in noti prodotti, esplica la sua azione grazie alla capacità di interagire con i gruppi tiolici della cisteina presente nelle proteine. Come risultato si ha la formazione di addotti chiamati mercaptidi che provocano l’inattivazione di enzimi e quindi interferiscono con le funzionalità cellulari.

https://chimicamo.org/chimica-organica/denaturazione-delle-proteine/

https://chimicamo.org/biochimica/folding-delle-proteine/