Ripiegamento e denaturazione delle proteine

Una proteina funziona solo se è ripiegata nella sua forma corretta. Ma cosa decide quella forma, e cosa succede quando la si distrugge? Il ripiegamento trasforma una catena lineare in una struttura tridimensionale precisa; la denaturazione è il processo inverso, che la disfa. Capire entrambi significa capire perché il calore cuoce un uovo, perché il pH conta e perché l’informazione della forma è già scritta nella sequenza.

Vediamo i livelli della struttura proteica, come avviene il ripiegamento, quali agenti denaturano una proteina e quando il processo è reversibile.

I quattro livelli di struttura

La forma di una proteina si descrive su più livelli. La struttura primaria è la sequenza degli amminoacidi. La secondaria è l’organizzazione locale dello scheletro in α-eliche e β-foglietti. La terziaria è il ripiegamento tridimensionale complessivo della singola catena, con i residui apolari accumulati all’interno e quelli polari in superficie. La quaternaria, infine, esiste solo nelle proteine fatte di più catene (subunità) e descrive come queste si assemblano.

sequenza (1°) → struttura secondaria (2°) → ripiegamento 3D (3°) → più subunità (4°)

Come si ripiega una proteina

Il ripiegamento non è una ricerca cieca tra infinite possibilità: sarebbe troppo lento. Procede invece in modo gerarchico e cooperativo: prima si formano piccoli elementi locali di struttura (brevi eliche, tratti di foglietto), che poi si aggregano in unità più grandi, fino alla forma finale. Un modo efficace di visualizzarlo è l’«imbuto di ripiegamento»: la catena svolta parte da uno stato ad alta energia e altissima entropia (moltissime conformazioni possibili) e scende, restringendo progressivamente le possibilità, verso lo stato nativo a bassa energia.

È significativo che la stabilità della forma nativa sia in realtà marginale: la differenza di energia tra proteina ripiegata e svolta equivale a poche interazioni deboli. Questa stabilità appena sufficiente non è un difetto, ma una scelta dell’evoluzione: dà alle proteine la flessibilità necessaria per muoversi e funzionare. Nella cellula, inoltre, il ripiegamento è assistito da proteine specializzate, gli chaperoni molecolari, che impediscono aggregazioni sbagliate, e da enzimi come la disolfuro isomerasi, che corregge i ponti disolfuro formatisi nel punto sbagliato.

Che cos’è la denaturazione

La denaturazione è la perdita della struttura tridimensionale nativa, con conseguente perdita di funzione, senza che si rompano i legami peptidici dello scheletro (la sequenza resta intatta). Si distruggono invece le interazioni deboli — legami a idrogeno, interazioni idrofobiche, ponti salini — che tenevano insieme la forma ripiegata. Una caratteristica notevole è che la denaturazione termica è spesso cooperativa: la proteina «fonde» in un intervallo stretto di temperatura, perché quando una parte cede destabilizza rapidamente il resto, e l’intera molecola si svolge quasi in blocco.

Gli agenti che denaturano

Diversi fattori possono denaturare una proteina, ciascuno colpendo un tipo di interazione stabilizzante. Il calore agita le molecole fino a vincere i legami deboli (molte proteine «fondono» ben sotto i 100 °C). Le variazioni di pH cambiano lo stato di carica delle catene laterali, alterando i legami a idrogeno e i ponti salini. I detergenti si infilano tra i residui apolari e disgregano il cuore idrofobico. Gli agenti caotropici, come l’urea e lo ione guanidinio ad alta concentrazione, sciolgono le interazioni idrofobiche. Infine gli agenti riducenti rompono i ponti disolfuro, i legami covalenti che si formano tra due residui di cisteina e che irrigidiscono molte strutture.

Quando la denaturazione è reversibile

Una proteina denaturata può talvolta tornare alla forma nativa, una volta rimossa la causa: è la rinaturazione. L’esperimento classico, condotto da Anfinsen sulla ribonucleasi A, è una pietra miliare: la proteina, lunga 124 residui, fu completamente svolta con urea concentrata e un riducente che ne ruppe i ponti disolfuro; eliminando per dialisi sia l’urea sia il riducente, essa si ripiegò spontaneamente recuperando struttura e attività. La conclusione è profonda: tutta l’informazione necessaria a raggiungere la forma corretta è già contenuta nella sequenza degli amminoacidi. Non sempre la rinaturazione riesce, però: nelle proteine grandi, o quando le condizioni favoriscono l’aggregazione, il danno è irreversibile — come l’albume dell’uovo cotto, che non torna più liquido.

Gli agenti denaturanti e ciò che colpiscono

Ogni agente denaturante attacca un tipo specifico di interazione che stabilizza la proteina ripiegata:

La colonna a destra ricorda che la reversibilità dipende dall’agente e dalla proteina: rimuovere un agente caotropico spesso basta a far ripiegare di nuovo la catena, mentre l’aggregazione irreversibile chiude la porta al ritorno.

Vedi anche. Le proteine che assistono il ripiegamento e ciò che accade quando fallisce sono trattati nell’articolo su chaperoni e misfolding.

Domande frequenti

Che cos’è la denaturazione di una proteina?

È la perdita della struttura tridimensionale nativa, e quindi della funzione, senza rottura dei legami peptidici dello scheletro: la sequenza resta intatta. Si distruggono le interazioni deboli (legami a idrogeno, interazioni idrofobiche, ponti salini) e, con agenti riducenti, anche i ponti disolfuro. La proteina si «svolge» perdendo eliche, foglietti e ripiegamento.

Quali sono i principali agenti denaturanti?

Il calore, le variazioni di pH, i detergenti, gli agenti caotropici come urea e ione guanidinio ad alta concentrazione e gli agenti riducenti. Ciascuno colpisce un tipo di interazione: il calore e i caotropici disgregano le interazioni deboli e idrofobiche, il pH altera le cariche, i riducenti rompono i ponti disolfuro covalenti.

La denaturazione è sempre irreversibile?

No. Se la causa viene rimossa, alcune proteine si rinaturano spontaneamente tornando alla forma nativa. L’esperimento di Anfinsen sulla ribonucleasi A lo dimostrò: svolta con urea e riducente, si ripiegò correttamente una volta eliminati entrambi. In altri casi, soprattutto per proteine grandi o quando avviene aggregazione, il danno è permanente (come l’uovo cotto).

Perché il ripiegamento è così veloce e ordinato?

Perché non procede per tentativi casuali, ma in modo gerarchico e cooperativo: si formano prima piccoli elementi locali di struttura, che poi si combinano. L’immagine dell’imbuto di ripiegamento descrive una discesa progressiva da molte conformazioni ad alta energia verso lo stato nativo a bassa energia. Nella cellula gli chaperoni molecolari assistono il processo.

Cosa dimostra l’esperimento di Anfinsen?

Che l’informazione necessaria a ripiegare correttamente una proteina è già tutta contenuta nella sua sequenza amminoacidica. La ribonucleasi A, denaturata e con i ponti disolfuro ridotti, recuperò spontaneamente la forma e l’attività native una volta rimossi urea e riducente. È uno dei fondamenti della biochimica strutturale.