Struttura terziaria e folding delle proteine

Eliche e foglietti non bastano: per funzionare, una proteina deve ripiegarsi nello spazio in una forma tridimensionale precisa e compatta. È la struttura terziaria, il risultato del folding, governata soprattutto dall’effetto idrofobico e da una rete di interazioni tra catene laterali anche molto distanti nella sequenza.

Vediamo che cos’è la struttura terziaria, quali interazioni la tengono insieme, perché l’effetto idrofobico è il motore del ripiegamento e che cosa sono i domini.

Che cos’è la struttura terziaria

La struttura terziaria è la conformazione tridimensionale complessiva di una singola catena polipeptidica: il modo in cui le sue eliche, i suoi foglietti e i suoi loop si dispongono nello spazio per formare una struttura compatta e funzionale. Mentre la struttura secondaria è locale, la terziaria riguarda i rapporti spaziali tra parti della catena anche molto lontane nella sequenza. È a questo livello che la proteina acquista la sua forma definitiva, e con essa la capacità di legare un substrato, catalizzare una reazione o svolgere il proprio ruolo.

Le interazioni che la stabilizzano

A differenza della struttura secondaria, sostenuta dai legami a idrogeno dello scheletro, la terziaria è tenuta insieme soprattutto da interazioni tra le catene laterali dei residui. Sono di diversi tipi e cooperano nel determinare e stabilizzare la forma ripiegata.

L’effetto idrofobico: il motore del folding

L’interazione più importante non è un legame, ma un effetto: l’effetto idrofobico. In ambiente acquoso, le catene laterali apolari tendono a sottrarsi al contatto con l’acqua e a raggrupparsi all’interno della proteina, formando un nucleo idrofobico. I residui polari e carichi restano invece all’esterno, a contatto con l’acqua. Questo riarrangiamento è guidato non tanto da un’attrazione tra le parti apolari, quanto dal guadagno entropico dell’acqua, che viene liberata dalle gabbie ordinate che formerebbe attorno alle superfici apolari esposte. È la forza dominante che spinge una catena distesa a collassare nella sua forma compatta.

ΔG_folding < 0   perché il nucleo idrofobico libera l’acqua → ΔS_acqua > 0

La stabilità netta della proteina ripiegata è in realtà modesta: il risultato di una grande forza che ripiega (l’effetto idrofobico) contro una grande forza che srotola (la perdita di entropia conformazionale della catena). Per questo le proteine sono solo marginalmente stabili e possono denaturarsi con relativa facilità.

Come avviene il folding

Il principio classico, formulato dall’esperimento di Anfinsen sulla ribonucleasi, è che la sequenza contiene tutta l’informazione necessaria: in condizioni fisiologiche, la catena raggiunge spontaneamente la conformazione di minima energia libera. Il folding non esplora a caso tutte le conformazioni possibili — sarebbe astronomicamente lungo (il «paradosso di Levinthal») — ma segue percorsi guidati verso lo stato nativo. Nella cellula, inoltre, proteine accessorie chiamate chaperoni aiutano molte proteine a ripiegarsi correttamente ed evitano che aggreghino.

I domini

Le proteine grandi spesso non si ripiegano in un unico blocco, ma in più domini: unità compatte e semi-indipendenti della struttura terziaria, ciascuna con un proprio nucleo idrofobico e, spesso, una propria funzione (un dominio che lega il DNA, un altro che lega un substrato, e così via). I domini sono mattoni evolutivi riutilizzati in proteine diverse e rappresentano un livello organizzativo molto utile per capire come una proteina lavora.

Perché conta nella pratica

La struttura terziaria è la struttura che lavora: un enzima privo del suo ripiegamento corretto non catalizza nulla. Nel mondo dei prodotti biotecnologici, garantire e verificare il folding corretto è centrale: un anticorpo monoclonale o un enzima industriale funzionano solo se ripiegati come si deve, e l’aggregazione da mal ripiegamento è un difetto di qualità da controllare. Capire l’effetto idrofobico e le interazioni stabilizzanti aiuta a comprendere perché una proteina è stabile o fragile, e come trattarla.

La forza che guida il ripiegamento, nascondendo all’interno le parti non polari, è l’effetto idrofobico.

Domande frequenti

Che cos’è la struttura terziaria di una proteina?

È la conformazione tridimensionale complessiva di una singola catena polipeptidica ripiegata, cioè il modo in cui le sue eliche, i suoi foglietti e i suoi loop si dispongono nello spazio per formare una struttura compatta e funzionale. Riguarda i rapporti spaziali tra parti della catena anche molto lontane nella sequenza ed è il livello in cui la proteina acquista la sua forma definitiva.

Quali interazioni stabilizzano la struttura terziaria?

Soprattutto interazioni tra le catene laterali dei residui: l’effetto idrofobico (il motore principale), i ponti disolfuro covalenti tra cisteine, i ponti salini tra gruppi carichi opposti, i legami a idrogeno tra gruppi polari e le forze di van der Waals. Pur essendo molte di esse deboli, la loro azione cooperativa tiene insieme la forma ripiegata.

Perché l’effetto idrofobico è il motore del folding?

Perché in acqua le catene laterali apolari tendono a raggrupparsi all’interno della proteina, formando un nucleo idrofobico, mentre i residui polari restano in superficie. Il vantaggio principale è entropico: l’acqua viene liberata dalle gabbie ordinate che formerebbe attorno alle superfici apolari. Questo guadagno spinge la catena a collassare nella forma compatta nativa.

La sequenza basta a determinare la struttura terziaria?

In linea di principio sì: l’esperimento di Anfinsen mostra che in condizioni fisiologiche la catena raggiunge spontaneamente la conformazione nativa di minima energia libera, perché tutta l’informazione è nella sequenza. Nella cellula, però, proteine accessorie chiamate chaperoni assistono il ripiegamento di molte proteine ed evitano l’aggregazione delle forme intermedie.

Che cosa sono i domini proteici?

Sono unità compatte e semi-indipendenti della struttura terziaria, ciascuna con un proprio nucleo idrofobico e spesso una propria funzione, come legare il DNA o un substrato. Le proteine grandi si ripiegano in più domini. Sono mattoni evolutivi riutilizzati in proteine diverse e un comodo livello per capire come una proteina svolge i suoi compiti.