Struttura secondaria delle proteine: α-elica e β-foglietto

Una catena di amminoacidi, da sola, sarebbe un filo informe. Eppure le proteine assumono forme precise e ricorrenti, e quasi sempre lo scheletro polipeptidico si avvolge in due motivi fondamentali: l’α-elica e il β-foglietto. Sono la struttura secondaria, il primo livello di organizzazione spaziale, tenuto insieme da una rete regolare di legami a idrogeno.

Vediamo che cos’è la struttura secondaria, la geometria precisa dell’α-elica, l’architettura del β-foglietto parallelo e antiparallelo e perché certi amminoacidi, come la prolina, spezzano questi motivi.

Che cos’è la struttura secondaria

La struttura primaria di una proteina è la semplice sequenza degli amminoacidi. La struttura secondaria è il passo successivo: il modo in cui tratti dello scheletro polipeptidico si avvolgono localmente in forme regolari, stabilizzate da legami a idrogeno tra i gruppi C=O e N–H dello scheletro stesso (non delle catene laterali). I due motivi di gran lunga più comuni, proposti entrambi nel 1951, sono l’α-elica e il β-foglietto. Le catene laterali restano libere di sporgere e non partecipano a questi legami a idrogeno: è lo scheletro a fare il lavoro.

L’α-elica: una geometria precisa

L’α-elica è un avvolgimento destrorso dello scheletro, con una regolarità sorprendente: compie un giro completo ogni 3,6 residui e avanza di circa 0,54 nm a ogni giro (questo avanzamento si chiama passo dell’elica). La distanza tra atomi consecutivi e la geometria dei legami sono così costanti che l’elica forma un cilindro compatto, con il cuore fittamente impacchettato.

α-elica: legame idrogeno tra C=O del residuo i e N–H del residuo i+4

Il segreto della sua stabilità è lo schema dei legami a idrogeno: il gruppo C=O di ciascun residuo punta lungo l’asse dell’elica e si lega al gruppo N–H del residuo che si trova quattro posizioni più avanti (lo schema i → i+4). Questa disposizione produce una distanza tra gli atomi quasi ideale, e quindi un legame a idrogeno forte; ripetuta lungo tutta l’elica, genera una struttura molto stabile. Un’α-elica tipica nelle proteine è lunga in media circa una dozzina di residui, cioè poco più di tre giri.

Il β-foglietto: catene affiancate

Il β-foglietto sfrutta la stessa capacità dello scheletro di formare legami a idrogeno, ma in modo diverso: qui i legami si instaurano tra catene polipeptidiche vicine, affiancate, e non all’interno di una stessa catena come nell’elica. Le catene (chiamate filamenti) sono quasi distese, e i legami a idrogeno tra loro le tengono allineate. Poiché lo scheletro non è perfettamente rettilineo, il foglietto assume un caratteristico aspetto ondulato, «pieghettato», con le catene laterali che sporgono alternativamente sopra e sotto il piano.

Esistono due varianti. Nel foglietto antiparallelo le catene affiancate corrono in direzioni opposte: i legami a idrogeno risultano ben allineati e particolarmente regolari. Nel foglietto parallelo le catene corrono nella stessa direzione: i legami a idrogeno sono più inclinati e la struttura è leggermente meno regolare. In entrambi i casi più filamenti si affiancano a formare una superficie estesa, spesso lievemente ritorta, che costituisce l’ossatura di molte proteine.

Perché la prolina spezza i motivi regolari

Non tutti gli amminoacidi si prestano a elica e foglietto. Il caso più istruttivo è la prolina: la sua catena laterale è ciclica e si richiude sull’azoto dello scheletro. Questo ha due conseguenze. Primo, l’azoto della prolina non possiede l’idrogeno N–H necessario a fare da donatore nel legame a idrogeno che regge sia l’elica sia il foglietto. Secondo, l’anello impone una rigidità che mal si adatta alla curvatura regolare dell’elica. Per questo la prolina, quando compare all’interno di un’α-elica o di un β-foglietto, vi produce una piega o un’interruzione, ed è spesso chiamata, non a caso, un «rompi-elica».

La presenza di certi residui ai bordi dei motivi non è casuale. Le α-eliche, per esempio, sono spesso fiancheggiate da residui come asparagina e glutammina, le cui catene laterali possono ripiegarsi all’indietro e formare legami a idrogeno con i residui terminali dell’elica: è il cosiddetto «incappucciamento», che compensa il fatto che i quattro residui di ciascuna estremità non hanno tutti i partner di legame a idrogeno disponibili. Anche da questi dettagli si capisce quanto la struttura secondaria sia il frutto di un equilibrio fine tra geometria e chimica delle catene laterali.

α-elica e β-foglietto a confronto

I due motivi si distinguono per il tipo di legame a idrogeno e per la forma che ne risulta:

Pur partendo dallo stesso ingrediente — i legami a idrogeno dello scheletro — i due motivi danno architetture molto diverse, ed è la loro combinazione, insieme ai tratti irregolari, a generare la forma tridimensionale finale di ogni proteina.

Domande frequenti

Che cos’è la struttura secondaria di una proteina?

È il livello di organizzazione locale dello scheletro polipeptidico, in cui tratti della catena si avvolgono in forme regolari stabilizzate da legami a idrogeno tra i gruppi C=O e N–H dello scheletro. I due motivi principali sono l’α-elica e il β-foglietto. Sta tra la sequenza lineare (primaria) e il ripiegamento complessivo (terziaria).

Quanti residui ci sono per giro in un’α-elica?

L’α-elica compie un giro completo ogni 3,6 residui e avanza di circa 0,54 nm a ogni giro (il passo dell’elica). È un avvolgimento destrorso e molto regolare; un’elica tipica nelle proteine è lunga in media circa dodici residui, poco più di tre giri.

Qual è la differenza tra foglietto parallelo e antiparallelo?

Sta nella direzione delle catene affiancate. Nel foglietto antiparallelo le catene vicine corrono in versi opposti e i legami a idrogeno sono regolari e ben allineati; nel parallelo le catene corrono nello stesso verso e i legami risultano inclinati e leggermente meno regolari. In entrambi i casi i legami a idrogeno uniscono catene diverse.

Perché la prolina rompe l’α-elica?

Per due ragioni. La sua catena laterale è ciclica e si chiude sull’azoto dello scheletro, che così non possiede l’idrogeno N–H necessario a fare da donatore nel legame a idrogeno che regge l’elica e il foglietto. Inoltre l’anello impone una rigidità incompatibile con la curvatura regolare dell’elica. Per questo la prolina produce una piega o un’interruzione nei motivi regolari.

Le catene laterali partecipano ai legami a idrogeno della struttura secondaria?

No, i legami a idrogeno che definiscono α-elica e β-foglietto coinvolgono lo scheletro polipeptidico, cioè i gruppi C=O e N–H dei legami peptidici. Le catene laterali sporgono all’esterno e sono libere; possono però influenzare quale motivo si forma e talvolta, come negli incappucciamenti, stabilizzare le estremità di un’elica.