Struttura primaria delle proteine: sequenza e legame peptidico

La struttura primaria di una proteina è la sua identità più basilare: la sequenza esatta degli amminoacidi, legati uno dopo l’altro come perline su un filo. Da questa sola sequenza, scritta nel DNA e tradotta dal ribosoma, discende tutto il resto: il modo in cui la catena si ripiegherà e la funzione che svolgerà. Capire la struttura primaria significa capire il punto di partenza di ogni proteina.

Vediamo che cos’è il legame peptidico, come si scrive una sequenza dall’estremità N a quella C, perché l’ordine degli amminoacidi è così determinante e come si lega alla struttura tridimensionale.

Che cos’è la struttura primaria

La struttura primaria è semplicemente la sequenza lineare degli amminoacidi che compongono una proteina, dall’inizio alla fine della catena. È una struttura monodimensionale, una scrittura: basta elencare in ordine i residui, ad esempio Met-Gly-Ala-Ser-… Questa sequenza non dice nulla, di per sé, sulla forma tridimensionale, ma la contiene implicitamente: è l’informazione di partenza da cui tutto deriva. La struttura primaria è codificata direttamente dal gene corrispondente, attraverso il codice genetico.

Il legame peptidico

Gli amminoacidi si uniscono tramite il legame peptidico, un legame ammidico che si forma per condensazione tra il gruppo carbossilico (–COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (–NH₂) del successivo, con eliminazione di una molecola d’acqua. La struttura dell’amminoacido e i dettagli della reazione sono trattati nel pilastro dedicato; qui ci interessa la sua conseguenza strutturale: ne nasce una catena di unità (i residui) saldate da legami CO–NH ripetuti, lo «scheletro» della proteina.

Il legame peptidico ha una proprietà cruciale: per via della risonanza tra il doppio legame C=O e la coppia dell’azoto, il legame C–N acquista un parziale carattere di doppio legame. Di conseguenza l’unità peptidica è planare e rigida: i sei atomi del gruppo CO–NH (e i due carboni α adiacenti) giacciono su un piano, e la rotazione attorno al legame C–N è impedita. Questa rigidità limita le conformazioni possibili della catena ed è il presupposto delle strutture regolari secondarie.

−NH−C_αHR−CO− + −NH₂−C_αHR’−CO−  →  −CO−NH− (legame peptidico) + H₂O

La direzione N→C

Una catena polipeptidica ha un verso: a un’estremità resta un gruppo amminico libero (l’N-terminale), all’altra un gruppo carbossilico libero (il C-terminale). Per convenzione la sequenza si scrive e si legge sempre dall’N-terminale al C-terminale, perché è lo stesso verso in cui la proteina viene sintetizzata dal ribosoma. Scrivere Ala-Gly non è la stessa cosa di Gly-Ala: l’ordine, e quindi la direzione, fanno parte dell’informazione.

Perché l’ordine è tutto

La sequenza non è un dettaglio: è il programma che determina come la proteina si ripiegherà e quindi quale funzione avrà. La «sequenza specifica» è ciò che distingue un enzima da una proteina strutturale, l’insulina dall’emoglobina. Un singolo amminoacido fuori posto può cambiare radicalmente le proprietà: l’esempio classico è l’anemia falciforme, in cui la sostituzione di un solo residuo nella catena β dell’emoglobina (un glutammato al posto di una valina) altera l’aggregazione della proteina e la forma dei globuli rossi. Una variazione minima nella struttura primaria può avere conseguenze gravi.

Dalla sequenza alla forma

La struttura primaria contiene, in linea di principio, tutta l’informazione necessaria a determinare la forma tridimensionale della proteina: è il celebre principio per cui «la sequenza determina la struttura». In condizioni fisiologiche, la catena si ripiega spontaneamente nella conformazione corretta proprio in base alla sua sequenza. I livelli superiori — secondaria, terziaria, quaternaria — sono trattati negli articoli collegati, ma tutti partono da qui: dalla successione di amminoacidi scritta nel gene.

Perché conta nella pratica

Conoscere la struttura primaria è il primo passo in ogni applicazione: dal sequenziamento delle proteine all’identificazione di una contaminazione proteica, dalla progettazione di un farmaco peptidico al controllo qualità di un prodotto biotecnologico. Sapere che la sequenza determina forma e funzione spiega perché anche una piccola variazione — una mutazione, una deamidazione, un’ossidazione — possa compromettere un principio attivo biologico. È la base per capire tutti i livelli superiori di struttura.

Domande frequenti

Che cos’è la struttura primaria di una proteina?

È la sequenza lineare degli amminoacidi che compongono la proteina, dall’estremità N-terminale alla C-terminale, uniti da legami peptidici. È una struttura monodimensionale, una scrittura, ed è codificata direttamente dal gene. Da questa sola sequenza dipende, in condizioni fisiologiche, il modo in cui la proteina si ripiegherà e quindi la sua funzione.

Come si forma il legame peptidico?

Si forma per condensazione tra il gruppo carbossilico (–COOH) di un amminoacido e il gruppo amminico (–NH₂) del successivo, con eliminazione di una molecola d’acqua. Ne risulta un legame ammidico CO–NH che salda i due residui. Ripetuto migliaia di volte, costruisce lo scheletro della catena polipeptidica.

Perché si dice che la catena ha una direzione N→C?

Perché a un’estremità resta un gruppo amminico libero (N-terminale) e all’altra un gruppo carbossilico libero (C-terminale). La sequenza si scrive e si legge sempre dall’N al C, lo stesso verso in cui il ribosoma sintetizza la proteina. Per questo Ala-Gly e Gly-Ala sono peptidi diversi: l’ordine fa parte dell’informazione.

Perché il legame peptidico è rigido e planare?

Per via della risonanza: la coppia elettronica dell’azoto si delocalizza verso il carbonile, dando al legame C–N un parziale carattere di doppio legame. Di conseguenza l’unità peptidica è planare e la rotazione attorno al C–N è impedita. Questa rigidità limita le conformazioni possibili della catena ed è il presupposto delle strutture secondarie regolari.

Una piccola variazione nella sequenza può cambiare la proteina?

Sì, anche un solo amminoacido fuori posto può alterare profondamente la proteina. L’esempio classico è l’anemia falciforme, dove la sostituzione di un singolo residuo nell’emoglobina ne cambia l’aggregazione e deforma i globuli rossi. Poiché la sequenza determina il ripiegamento, una variazione minima può compromettere la struttura e la funzione.