Struttura quaternaria e subunità delle proteine

Molte proteine non lavorano da sole: sono fatte di più catene polipeptidiche, ciascuna già ripiegata, che si assemblano in un complesso funzionale. Questo livello di organizzazione è la struttura quaternaria, e in essa nascono proprietà nuove — come la cooperatività dell’emoglobina — che la singola subunità non possiede.

Vediamo che cos’è la struttura quaternaria, come si tengono insieme le subunità, l’esempio dell’emoglobina e che cos’è la cooperatività.

Che cos’è la struttura quaternaria

La struttura quaternaria è l’associazione di più catene polipeptidiche (le subunità), ciascuna con la propria struttura terziaria, in un unico complesso proteico funzionale. Non tutte le proteine hanno una struttura quaternaria: quelle costituite da una sola catena (monomeriche) si fermano alla terziaria. Quando invece più subunità si uniscono, il complesso può essere fatto di subunità identiche (omomero) o diverse (eteromero), in numero variabile: dimeri, tetrameri e così via. È il livello più alto di organizzazione strutturale.

Come si tengono insieme le subunità

Le subunità sono unite, salvo eccezioni, da interazioni non covalenti — le stesse che stabilizzano la struttura terziaria: contatti idrofobici tra superfici complementari, legami a idrogeno, ponti salini, forze di van der Waals. Le superfici di contatto (le interfacce) sono spesso ampie e ben complementari, come pezzi di un puzzle. In alcuni casi intervengono anche legami covalenti, come ponti disolfuro tra catene (è il caso degli anticorpi). L’assenza di legami covalenti per la maggior parte dei complessi spiega perché molte strutture quaternarie possono dissociarsi reversibilmente.

L’esempio dell’emoglobina

L’emoglobina è l’esempio classico di struttura quaternaria. È un tetramero formato da quattro subunità (due catene α e due catene β), ciascuna con un proprio gruppo eme capace di legare una molecola di ossigeno. Le quattro subunità non lavorano in modo indipendente: il legame dell’ossigeno a una di esse modifica la conformazione delle altre, rendendole più affini all’ossigeno. È un comportamento che la singola subunità — o la mioglobina, monomerica e simile a una subunità isolata — non mostra. La struttura quaternaria genera una funzione nuova.

La cooperatività

Questo fenomeno si chiama cooperatività: il legame di un ligando a una subunità influenza l’affinità delle altre. Nell’emoglobina la cooperatività è positiva: il primo ossigeno legato facilita il legame dei successivi, e la curva di saturazione assume una caratteristica forma a S (sigmoide), invece dell’iperbole della mioglobina. È proprio ciò che serve a un trasportatore: caricare molto ossigeno nei polmoni (alta pressione) e cederne molto nei tessuti (bassa pressione). La cooperatività è una proprietà emergente dalla struttura quaternaria.

Hb + 4 O₂ ⇌ Hb(O₂)₄  ·  curva di saturazione sigmoide (cooperatività)

Perché assemblarsi in subunità

L’organizzazione in subunità offre alle cellule diversi vantaggi: permette di costruire macchine molecolari grandi a partire da catene più piccole (più facili da sintetizzare e da controllare per errori), consente la cooperatività e la regolazione allosterica, e rende possibile sostituire o riparare una singola subunità danneggiata. Da un punto di vista evolutivo, assemblare copie di una stessa subunità è anche un modo economico di realizzare strutture complesse e simmetriche, perché un solo gene basta a produrre tutte le copie identiche di cui il complesso ha bisogno.

La simmetria dei complessi

I complessi formati da subunità identiche tendono ad assumere disposizioni simmetriche: dimeri con un asse di rotazione, tetrameri con simmetria a più assi, e così via. Questa simmetria non è casuale ma una conseguenza del fatto che ogni subunità interagisce con le altre attraverso le stesse superfici complementari. La simmetria rende l’assemblaggio robusto e riproducibile e si ritrova in moltissime proteine, dagli enzimi metabolici fino agli involucri proteici dei virus, che sono capsidi altamente simmetrici costruiti da molte copie di poche proteine.

Perché conta nella pratica

Molte proteine di interesse industriale e farmaceutico sono multimeriche, e la loro funzione dipende dal corretto assemblaggio: un anticorpo monoclonale, ad esempio, è un complesso di quattro catene unite anche da ponti disolfuro, e la sua attività richiede l’integrità della struttura quaternaria. Capire come le subunità si associano, e che la cooperatività e l’allosteria nascono da questa associazione, è essenziale per comprendere il comportamento di enzimi regolati, trasportatori e proteine terapeutiche.

Domande frequenti

Che cos’è la struttura quaternaria di una proteina?

È il livello di organizzazione in cui più catene polipeptidiche, dette subunità e già ripiegate ciascuna nella propria struttura terziaria, si associano in un unico complesso proteico funzionale. È presente solo nelle proteine multimeriche; quelle costituite da una sola catena si fermano alla struttura terziaria. Il complesso può avere subunità identiche o diverse, in numero variabile.

Come si tengono unite le subunità?

Prevalentemente da interazioni non covalenti tra le loro superfici di contatto: contatti idrofobici, legami a idrogeno, ponti salini e forze di van der Waals. Le interfacce sono spesso ampie e complementari. In alcuni casi, come negli anticorpi, intervengono anche ponti disolfuro covalenti tra catene. L’assenza di legami covalenti in molti complessi rende l’assemblaggio reversibile.

Perché l’emoglobina è l’esempio classico?

Perché è un tetramero di quattro subunità (due α e due β), ciascuna con un gruppo eme che lega l’ossigeno, e mostra cooperatività: il legame dell’ossigeno a una subunità aumenta l’affinità delle altre. La sua curva di saturazione è sigmoide, ideale per caricare ossigeno nei polmoni e cederlo nei tessuti. La mioglobina, monomerica, non ha questo comportamento.

Che cos’è la cooperatività?

È il fenomeno per cui il legame di un ligando a una subunità influenza l’affinità delle altre subunità del complesso. Nell’emoglobina è positiva: il primo ossigeno facilita il legame dei successivi, dando una curva sigmoide. È una proprietà emergente, resa possibile dalla struttura quaternaria: nasce dalla comunicazione tra subunità e non esiste nella singola catena isolata.

Che differenza c’è con l’allosteria?

L’allosteria è la regolazione dell’attività di una proteina quando una molecola si lega a un sito diverso da quello funzionale, spostando l’equilibrio tra le conformazioni dell’intero complesso. Cooperatività e allosteria sono strettamente collegate, entrambe rese possibili dall’esistenza di più subunità che comunicano tra loro. Molti enzimi multimerici sono regolati in modo allosterico.