Struttura secondaria: alfa-elica e foglietto beta

Una volta scritta la sequenza, la catena polipeptidica non resta distesa: porzioni dello scheletro si avvolgono in motivi regolari e ripetuti, tenuti insieme da legami a idrogeno. I due più importanti sono l’alfa-elica e il foglietto beta: la struttura secondaria. Sono i mattoni architettonici comuni a quasi tutte le proteine.

Vediamo che cos’è la struttura secondaria, come sono fatte l’alfa-elica e il foglietto beta, quale ruolo hanno i legami a idrogeno e quali angoli di torsione le definiscono.

Che cos’è la struttura secondaria

La struttura secondaria è la disposizione locale e regolare dello scheletro polipeptidico in motivi ripetuti, stabilizzati da legami a idrogeno tra atomi dello scheletro stesso (precisamente tra il gruppo C=O di un residuo e il gruppo N–H di un altro). È un livello intermedio tra la sequenza lineare e il ripiegamento tridimensionale complessivo. Riguarda lo scheletro, non le catene laterali, e si presenta in pochi motivi tipici: l’alfa-elica, il foglietto beta e, tra essi, i ripiegamenti (turn) e i tratti irregolari (loop).

L’alfa-elica

Nell’alfa-elica lo scheletro si avvolge a spirale, in genere destrorsa, con circa 3,6 residui per giro. La struttura è tenuta insieme da legami a idrogeno regolari tra il C=O di ogni residuo i e l’N–H del residuo i+4, paralleli all’asse dell’elica. Le catene laterali sporgono verso l’esterno. È un motivo molto stabile e compatto, frequentissimo nelle proteine globulari e nelle proteine di membrana; in alcune proteine fibrose, come la cheratina, eliche avvolte tra loro danno la struttura portante.

Il foglietto beta

Nel foglietto beta tratti distesi della catena (i filamenti, o «beta-strand») si affiancano lateralmente e si legano tramite legami a idrogeno tra filamenti adiacenti. Ne risulta una superficie a pieghe, simile a un foglio ripiegato a fisarmonica, con le catene laterali rivolte alternativamente sopra e sotto il piano. I filamenti possono essere paralleli (stesso verso N→C) o antiparalleli (versi opposti); questi ultimi danno legami a idrogeno più lineari e leggermente più stabili. I filamenti che formano un foglietto possono essere vicini o lontani nella sequenza, perché i loop e i turn permettono alla catena di tornare indietro e affiancarsi a se stessa: per questo il foglietto beta è un motivo intrinsecamente meno «locale» dell’elica. Il foglietto beta è alla base di proteine come la fibroina della seta e di molte regioni di proteine globulari.

Turn, loop e tratti irregolari

Tra un’elica e un foglietto, o tra due filamenti, lo scheletro deve cambiare direzione: lo fa con i turn (ripiegamenti brevi, spesso di pochi residui, che invertono il verso della catena) e i loop più lunghi e irregolari. Pur non essendo motivi periodici, sono tutt’altro che casuali: spesso contengono i residui funzionalmente importanti, esposti in superficie, e sono ricchi di glicina e prolina, che favoriscono i cambi di direzione. Insieme, eliche, foglietti, turn e loop costituiscono il repertorio completo della struttura secondaria.

Il ruolo dei legami a idrogeno

Sia l’elica sia il foglietto esistono perché lo scheletro satura i propri legami a idrogeno in modo regolare. Ogni gruppo C=O e ogni N–H dello scheletro può formare un legame a idrogeno; nei motivi secondari questi legami sono ottimizzati e ripetuti, e la loro somma conferisce stabilità. Singolarmente deboli, i numerosi legami a idrogeno cooperano e rendono il motivo robusto. È anche il motivo per cui la struttura secondaria è la prima a cedere quando una proteina si denatura, come si vede nell’articolo dedicato.

C=O ··· H−N  →  legame a idrogeno dello scheletro  (ripetuto e cooperativo)

Gli angoli di torsione

Poiché il legame peptidico è rigido e planare, la conformazione dello scheletro è descritta da due soli angoli di rotazione per ogni residuo, attorno ai legami che precedono e seguono il carbonio α: gli angoli φ (phi) e ψ (psi). Solo certe combinazioni di questi angoli sono permesse (le altre porterebbero atomi a sovrapporsi), e ogni motivo secondario corrisponde a una regione caratteristica. Lo strumento che rappresenta le combinazioni permesse è il diagramma di Ramachandran, in cui alfa-elica e foglietto beta occupano due zone ben distinte.

Perché conta nella pratica

La struttura secondaria è ciò che le tecniche spettroscopiche più accessibili sanno «vedere»: il dicroismo circolare nel lontano UV, ad esempio, distingue rapidamente il contenuto di alfa-elica e foglietto beta di una proteina, ed è uno strumento di routine per verificare che una proteina ricombinante sia ripiegata correttamente o per seguirne la denaturazione. Capire i motivi secondari e i legami a idrogeno che li sostengono è essenziale per interpretare questi dati e per comprendere la stabilità di un prodotto proteico.

Domande frequenti

Che cos’è la struttura secondaria di una proteina?

È la disposizione locale e regolare dello scheletro polipeptidico in motivi ripetuti, principalmente l’alfa-elica e il foglietto beta, stabilizzati da legami a idrogeno tra gli atomi dello scheletro (C=O e N–H). È un livello intermedio tra la sequenza lineare e il ripiegamento tridimensionale complessivo e riguarda lo scheletro, non le catene laterali.

Come è fatta un’alfa-elica?

È un avvolgimento a spirale, di solito destrorso, dello scheletro, con circa 3,6 residui per giro. È tenuta insieme da legami a idrogeno regolari tra il C=O di ogni residuo e l’N–H del residuo quattro posizioni più avanti (i e i+4), paralleli all’asse. Le catene laterali sporgono verso l’esterno. È un motivo compatto e molto frequente.

Qual è la differenza tra foglietto beta parallelo e antiparallelo?

Dipende dal verso dei filamenti affiancati: nel parallelo i filamenti corrono nello stesso verso N→C, nell’antiparallelo in versi opposti. Nel foglietto antiparallelo i legami a idrogeno tra filamenti sono più lineari e la struttura è leggermente più stabile. In entrambi i casi le catene laterali si alternano sopra e sotto il piano del foglietto.

Che cosa sono gli angoli phi e psi?

Sono i due angoli di rotazione dello scheletro attorno ai legami che precedono e seguono il carbonio α di ogni residuo. Poiché il legame peptidico è rigido, questi due angoli descrivono da soli la conformazione locale. Solo certe loro combinazioni sono permesse, rappresentate nel diagramma di Ramachandran, dove alfa-elica e foglietto beta occupano zone distinte.

Perché la prolina è chiamata «rompielica»?

Perché il suo anello laterale, chiuso sull’azoto dello scheletro, ne blocca la flessibilità e le impedisce di formare l’N–H necessario al legame a idrogeno dell’alfa-elica. Per questo la prolina raramente entra in un’elica e spesso ne segna la fine o introduce una piega. La glicina, al contrario, è troppo flessibile e tende a destabilizzare i motivi regolari.