Struttura primaria

La struttura primaria di una proteina è una catena di amminoacidi.

Inbiochimica,lastruttura primariadi unabiomolecolaè la descrizione esatta della sua composizione atomica e dei legami presenti tra gli atomi (inclusa lastereochimica). Per un tipicobiopolimerolineare non ramificato (come una molecola diDNAoRNA,o leproteine), la struttura primaria equivale alla sequenza ordinata con cui le singole subunitàmonomerosi succedono lungo la catena.

L'espressione "struttura primaria" venne coniata daKaj Ulrik Linderstrom-Lang,nel suo lavoroLane Medical Lecturesdel1951.A volte questa espressione viene erroneamente sostituita con "sequenza primaria", che non è parallela allastruttura secondariaestruttura terziaria.

Struttura primaria dei polipeptidi

In generale ipolipeptidisono polimeri non ramificati e la loro struttura primaria può spesso essere specificata attraverso la sequenzaamminoacidica.Tuttavia le proteine possono legarsi assieme, comunemente attraversoponti disolfuro;in questo caso è necessario specificare nella struttura primaria anche lecisteinecoinvolte nel legame.

Icentri chiralidi una catena polipeptidica possono andare incontro aracemizzazione.In particolare gli L-amminoacidi che si trovano normalmente nelle proteine possono spontaneamente isomerizzare a livello di un atomo$\mathrm {C^{\ Alpha }}$,formando D-amminoacidi che non possono essere scissi dalla maggior parte delleproteasi.

Infine la proteina può andare incontro alle seguentimodificazioni post-traduzionali:

• acetilazione$\mathrm {-C(=O)-CH_{3}}$

la carica positiva sul N-terminale può essere eliminata, modificando l'N-terminale in ungruppo acetile;

• formilazione$\mathrm {-C(=O)H}$

la metionina N-terminale, presenta di solito un gruppo aldeide (a volte lo stesso residuo di metionina, seguito da Gly o Ser), che viene rimosso dall'enzimadeformilasi;

• piroglutammato

Una terminazione amminica del glutammato (Glu) si può attaccare a se stessa formando un gruppo piroglutammico ciclico.

• miristilazione$\mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{12}-CH_{3}}$

Simile all'acetilazione. Al posto di un semplice gruppo metilico, si aggiunge un gruppomiristileche ha una coda di 13 carboni idrofobici, che lo rendono ideale per ancorare le proteine allamembrana cellulare.

Anche il C-terminale del gruppo car Boss ilico di un polipeptide può essere modificato, ad esempio,

ammidazione del C-terminale

• ammidazione(vedi Figura)

Il C-terminale può essere bloccato (neutralizzando la sua carica negativa) tramite ammidazione.

• aggancio glicosil fosfatidilinositolo (GPI)

Il glicosil fosfatidilinositolo è un lungo gruppofosfolipidicoidrofobico prostetico che unisce le proteine allemembrane cellulari.È agganciato al polipeptide C-terminale attraverso un legame ammidico che lo unisce anche all'etanolammina, e da lì a vari zuccheri ed infine al mezzo lipidico fosfatidilinositolo.

Infine, lacatena lateraledel peptide può essere modificata covalentemente, ad esempio:

• fosforilazione

Dopo il taglio, la fosforilazione è forse una delle più importanti modifiche chimiche delle proteine. Un gruppo fosfato può essere attaccato al gruppo ossidrilico di serina, treonina e tirosina, aggiungendo una carica negativa al sito e dando luogo ad un amminoacido non naturale. Questa reazione è catalizzata dallachinasie la reazione inversa è catalizzata dallafosforilasi.Le tirosine fosforilate sono spesso usate come punti di attacco che legano una proteina all'altra, altre volte la fosforilazione di un residuo di Ser/Thr induce un cambiamento conformazionale, presumibilmente per la carica negativa introdotta. Gli effetti della fosforilazione dei residui Ser/Thr possono essere, talvolta simulati mutando il residuo in glutammato.

• glicosilazione

Un nome che raggruppa una serie di modifiche chimiche molto comuni ed eterogenee. Gli zuccheri possono essere attaccati alla catena laterale di Ser/Thr attraverso il gruppo ossidrilico, o al gruppo amminico della Asn. Queste aggiunte hanno molteplici funzioni e possono essere bloccate con certi inibitori come la tunicamicina.

• deammidazione(formazione di succinimmide)

In questa modificazione, una catena laterale formata daasparaginaoaspartatosi aggancia al legame peptidico seguente, formando un'intermediazione simmetrica di succinimide. L'idrolisidell'intermediario produce aspartato o il β-amminoacido iso(Asp). Per l'asparagina, essa viene prodotta nella perdita del gruppo ammide, da cui il nome "deammidazione".

• idrossilazione

I residui di prolina possono essere idrolizzati ad entrambi gli atomi, come la lisina (ad un atomo). L'idrossiprolina è un componente critico delcollagene,che diventa instabile con la sua perdita. La reazione d'idrossilazione è catalizzata da un enzima che richiedeacido ascorbico(vitamina C), la cui mancanza può condurre a diverse malattie tessuto-connettivali come loscorbuto.

• metilazione

Molti residui proteici possono essere metilati, specialmente i gruppi positivi dilisinaearginina.La metilazione di questi siti è usata per regolare le proteine di legame agliacidi nucleici.I residui dilisinapossono essere metilati singolarmente, doppiamente o anche triplamente. La metilazione, comunque,nonaltera la carica positiva sulla catena laterale.

• acetilazione

L'acetilazione degli ammino gruppi della lisina è analoga chimicamente all'acetilazione del N-terminale. In ogni caso, dal punto di vista funzionale l'acetilazione dei residui di lisina è usata per regolare il legame delle proteine agli acidi nucleici. L'annullamento della carica positiva sulla lisina indebolisce l'attrazione elettrostatica per gli acidi nucleici (caricati negativamente).

• solfatazione

Le tirosine possono essere solfatate sui loro$\mathrm {O^{\eta }}$atomi. Piuttosto insolitamente, questa modificazione si verifica nell'apparato di Golgi,non nelreticolo endoplasmatico.In modo simile alle tirosine fosforilate, le tirosine solfatate sono usate per specifici riconoscimenti, es., nei recettori chemochinici sulla superficie cellulare. Come avviene con la fosforilazione, la solfatazione aggiunge cariche negative ad un sito precedentemente neutro.

• prenilazioneepalmitoilazione$\mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}}$

Gruppi isoprenilici idrofobici (es., gruppi farnesilici, geranilici, e geranilgeranilici) e gruppi palmitoilici possono essere aggiunti agli atomi$\mathrm {S^{\gamma }}$dei residui di cisteina per ancorare proteine allemembrane cellulari.Diversamente dalle ancore GPI e miristoliche, questi gruppi non sono aggiunti necessariamente ai terminali.

• car Boss ilazione

Una modifica relativamente rara, che aggiunge un gruppo car Boss ilato (e, quindi, una doppia carica negativa) alla catena laterale di un glutamato, producendo un residuo Gla, è usata per consolidare il legame con ioni metallici come ilcalcio.

• ADP-ribosilazione

Il gruppo ADP-ribosilico può essere trasferito a diversi tipi di catene laterali presenti all'interno delle proteine, con effetti eterogenei. Tali modifiche sono prodotte dalle potenti tossine di diversi batteri, comeVibrio cholerae,Corynebacterium diphtheriaeandBordetella pertussis.

• ubiquitinazioneeSUMOilazione

Diverse proteine, tra le quali l'ubiquitina è la più comune, possono essere attaccate, tramite il loro C-terminale, al gruppo ammonio della catena laterale di unalisinapresente su altre proteine; questo legame rappresenta un segnale per la degradazione del complesso proteina-ubiquitina.

La maggior parte delle modificazioni elencate sonopost-traduzionali,cioè si verificano dopo che laproteinaè stata sintetizzata sulribosoma,all'interno delreticolo endoplasmatico,unorganellosubcellulare dellacellula eucariotica.

Molte altre reazioni chimiche (es., lacianilazione) sono state ottenute in laboratorio, sebbene non siano state trovate nei sistemi biologici.

Modificazioni della struttura primaria

Oltre a ciò che è stato detto sopra, la più importante modifica della struttura primaria è ilclivaggio proteico(vedi:Proteasi). Le proteine sono spesso sintetizzate come precursori inattivi; tipicamente un segmento N o C terminale blocca ilsito attivodi tali peptidi, inibendone la funzione. Tali proteine sono attivate tagliando via questi segmenti inibitori.

Alcune proteine inoltre hanno il potere di auto-tagliarsi. Tipicamente un gruppo ossidrile di una serina (raramente una treonina) o il gruppo tiolico di un residuo di cisteina attaccano il carbonio car Boss ilico che precede il punto di taglio, formando un intermedio tetraedrico (nominato come un'idrossiossazolidina (Ser/Thr) oppure un'idrossitioazolidina se derivato dalla cisteina). Questo intermedio tende poi a stabilizzarsi nella forma ammidica, espellendo il gruppo attaccato, perché la forma ammidica è favorita termodinamicamente (presumibilmente grazie alla forte risonanza che stabilizza il legame peptidico). Comunque, ulteriori interazioni possono rendere la forma ammidica meno stabile; in tal caso è espulso l'ammino-gruppo, formando così un legame estere (ser/thr) o un tioestere (cys) che sostituisce il legame peptidico. Questa reazione è unaN-O acyl shift.

Il legame estere/tioestere si può rompere in vari modi:

• Semplice idrolisi che divide il polipeptide, dove l'amminogruppo liberato diventa il nuovo N terminale. Questo è stato visto nella maturazione della glicosilasparginasi.
• Anche una beta-eliminazione può dividere la catena, ma in tal caso si forma un gruppo piruvile al nuovo N terminale. Questo gruppo può essere usato per attaccare cofattori catalitici covalentemente ad alcuni enzimi, specialmente decar Boss ilasi come nella S-adenson-metionina decar Boss ilasi (SAMDC). La reazione sfrutta il potere elettron-attraente del gruppo piruvile.
• Transesterificazione intramolecolare, con formazione di un peptide "ramificato". Nei peptidi così ottenuti, il nuovo legame estere è rotto formando un nuovo C terminale a livello di una asparagina.
• Transesterificazione intermolecolare con trasferimento del peptide da una proteina a un'altra, come si vede nelle proteine Hedgehog autoprocessanti.

Storia della struttura primaria delle proteine

L'ipotesi che le proteine fossero catene lineari di α-amminoacidi venne proposta simultaneamente da due scienziati durante la stessa conferenza, il74th meeting of the Society of German Scientists and Physicians,tenutasi aKarlsbadnel1902.Franz Hofmeisterespose la sua ipotesi al mattino, basandosi su alcune reazioni nelle proteine; dopo poche ore venne seguito daHermann Emil Fischer,che aveva raccolto un gran numero di prove chimiche a favore dello stesso modello.

La prima ipotesi sulla struttura primaria delle proteine venne avanzata nel1882dal chimico francese E. Gimaux.

Nonostante questi dati e successive dimostrazioni che le proteine digerite fossero costituite solamente daoligopeptidi,l'idea che le proteine fossero polimeri non ramificati di amminoacidi non venne accettata immediatamente. Alcuni rinomati scienziati, comeWilliam Astbury,dubitavano che i legami covalenti fossero abbastanza forti da tenere assieme molecole così lunghe.Herman Staudingeraffrontò gli stessi pregiudizi quando nel1920intuì che ilcaucciùera composto damacromolecole.

Di conseguenza vennero avanzate ipotesi alternative. L'ipotesi della proteina colloidaleaffermava che le proteine fossero soluzioni colloidali di molecole più piccole. Questa ipotesi venne accantonata neglianni ventidopo misure conultracentrifugazionediSvedberg,che mostrarono come la proteina avesse un peso molecolare ben definito e riproducibile, e esperimenti dielettroforesidiArne Tiselius,che dimostrarono che le proteine sono molecole singole.

Una seconda ipotesi fu quella delcicloloavanzata daDorothy Wrinch.Tale ipotesi sosteneva che il legame peptide oscillasse tra 2 forme; una lineare e una ciclica ottenuta tramite il riarrangiamento del gruppo ammidico descritto dalla reazione: C=O + NH$\rightarrow$C(OH)-N che consentirebbe alla catena di piegarsi riproducendo una nuova struttura tridimensionale. Altre strutture primarie per le proteine furono proposte da altri ricercatori, come il modello delladichetopiperzinadiEmil Abderhaldene il modellopirrolo-piperidinadiTroensegaardnel 1942. Questi modelli comunque non ebbero mai molta credibilità e vennero definitivamente smentiti quandoFrederick Sangersequenziò con successo l'insulinaeMax PerutzconJohn Kendrewdimostrarono tramite lacristallografiale strutture dell'emoglobinae dellamioglobina.

Relazioni della struttura primaria con quella secondaria e quella terziaria

La struttura primaria di un polimero biologico in buona parte ne determina quella tridimensionale conosciuta cometerziaria,ma ilripiegamento di proteineedacidi nucleiciè così complesso che conoscendo solo la struttura primaria spesso non è possibile identificare neanche quellasecondariacome la formazione di anse ed eliche. Comunque, conoscendo la struttura di peptidi della stessafamigliao con sequenze simili (che è possibile ricavare anche con opportuni software comeBLAST) si può dedurre il tipo di struttura terziaria più probabile. Le famiglie di sequenze sono spesso distinte tramite sistemi diclusteringo digenomica strutturale;questi sono progetti che mirano a creare un set di strutture rappresentative per coprire tutto lospazio di sequenzepossibili per studiare qualunque peptide.

Strutture primarie in altre molecole

In realtà si può dire che ognieteropolimerolineare ha una struttura primaria usando l'analogia di termini con le proteine, ma questa terminologia è raramente usata. Ad esempio conRNA,che anche ha una complessa struttura secondaria, ci si limita a riferirsi più spesso allasequenzacosì come colDNA(che in tal caso usualmente forma una doppia elica lineare con semplice struttura secondaria). Altri polimeri biologici come ipolisaccaridipossono essere considerati come aventi una struttura primaria, sebbene questa terminologia anche in questo caso non è di norma usata.

Bibliografia

• Iwai K and Ando T. (1967) "N$\rightarrow$O Acyl Rearrangement ",Methods Enzymol.,11,263-282.
• Perler FB, Xu MQ and Paulus H. (1997) "Protein Splicing and autoproteolysis mechanisms",Curr. Opin. Chem. Biol.,1,292-299.
• Paulus H. "The chemical basis of protein splicing",Chem. Soc. Rev.,27,375-386.
• Hofmeister F. (1902)Naturwiss. Rundschau,17,529-545.
• Fischer E. (1902) Autoreferat.Chem. Ztg.,26,93.
• Troensegaard N. (1942) Über die Struktur des Proteinmoleküls: eine chemische Untersuchung. E. Munksgaard, Køpenhavn (Copenaghen).
• Sanger F. (1952) "The arrangement of amino acids in proteins",Adv. Protein Chem.,7,1-67.
• Fruton JS. (1979) "Early theories of protein structure",Ann. N.Y. Acad. Sci.,325,1-18.
• Wieland T and Bodanszky M (1991)The World of Peptides,Springer Verlag.ISBN 0-387-52830-X

Voci correlate

• Proteina
• Struttura secondaria
• Struttura supersecondaria
• Dominio (biochimica)
• Struttura terziaria
• Struttura quaternaria
• Traduzione (biologia)

Altri progetti

Altri progetti

• Wikimedia Commons

• Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file suStruttura primaria

Collegamenti esterni

• (EN)IUPAC Gold Book, "primary structure",sugoldbook.iupac.org.