Ripiegamento delle proteine

Ripiegamento delle proteine

Il folding (ripiegamento) è il processo attraverso il quale le proteine ottengono la loro struttura tridimensionale. Questo processo avviene sia contemporaneamente alla sintesi proteica che alla fine di questa. Soltanto una volta terminato il folding le proteine possono assumere la loro funzione fisiologica. In generale, in condizioni fisiologiche, la struttura delle proteine si autodetermina e non ha bisogno di stampi esterni per guidare il processo di ripiegamento nella conformazione corretta quindi quella nativa. Ciò implica che sia la struttura primaria delle proteine a determinare la loro struttura tridimensionale. Tutta l'informazione per il ripiegamento della proteina nella sua struttura nativa è dunque contenuta nella struttura primaria della proteina stessa. Questo principio fu per la prima volta enunciato da Christian Anfinsen, il cui lavoro nei primi anni '60 aveva riguardato la denaturazione chimica e la successiva rinaturazione della ribonucleasi pancreatica bovina. Anfinsen vide che l'RNAsi A assume una conformazione casuale quando i suoi quattro ponti disolfuro vengono rotti. In condizioni favorevoli si riforma una proteina attiva. La proteina, in questo modo, si è rinaturata spontaneamente, cioè si sono riformati correttamente i quattro ponti disolfuro. Dunque, per piccole proteine globulari, la struttura nativa è determinata solamente dalla sequenza di amminoacidi. Ma in realtà nell'ambiente cellulare esistono fattori che ostacolano il ripiegamento corretto. I fattori che disturbano il folding di una proteina nascente sono: (1) mancata sintesi contemporanea di tutti i domini della proteina; (2) presenza di grandi quantità di macromolecole (possibili interazioni scorrette); (3) stress dovuto ad esposizione a sostanze tossiche, come radicali dell'ossigeno o metalli pesanti. Comunque secondo Anfinsen, le strutture native delle proteine rappresentano stati termodinamicamente stabili. Ma egli non riuscì a comprendere come una certa proteina raggiunga un tale stato stabile. Negli anni successivi Cyrus Levinthal puntualizzò che per una tipica catena polipeptidica sono possibili così tante conformazioni che la proteina non ha tempo sufficiente per cercare lo stato conformazionale più stabile esplorando tutte le possibili conformazioni. Infatti, assumiamo che i 2n angoli di torsione Φ e Ψ di una proteina con n residui amminoacidici abbiamo ciascuno tre conformazioni possibili stabili. Ciò determina per la proteina l'esistenza di 32n conformazioni possibili (32n=circa 10n). Assumiamo che la proteina possa provare ciascuna alternativa conformazionale in 10-13 secondi, il periodo della vibrazione di legame, un entità senza dubbio molto sovrastimata. Possiamo ora calcolare il tempo necessario ad una proteina per esaminare tutte le conformazioni ad essa possibili: t = 10n/1013 (dove 10n=32n=conformazioni possibili; 1013= conformazioni per secondo). Per una proteina piuttosto piccola composta da 100 residui (n=100), t diventa uguale a 1087 secondi, che è un numero immensamente più grande dell'età apparente dell'universo (20 miliardi di anni = 6x1017 secondi). Dunque, se la proteina raggiungesse la sua conformazione finale passando via via attraverso tutte le conformazioni possibili, sarebbe necessario un tempo ben più superiore dell'età dell'universo per raggiungere la conformazione corretta. Questa differenza enorme che esiste tra il tempo del folding prevedibile in teoria e quello osservato in realtà è appunto chiamato paradosso di Levinthal. Quest'ultimo ha indotto gli scienziati ad ipotizzare che le proteine si ripieghino attraverso specifici “percorsi” di ripiegamento. Ricerche recenti hanno rilevato che per una proteina tipo non esiste un singolo percorso di ripiegamento ma ve ne sono molti. Assumendo così tanti percorsi alternativi, il processo del ripiegamento può essere rappresentato come un imbuto di energia libera, detto anche profilo energetico. L'orlo in cima all'imbuto rappresenta i molteplici stati conformazionali di una catena polipeptidica non ripiegata. I polipeptidi cadono lungo le pareti dell'imbuto non appena i contatti tra i residui selezionano le vie alternative di ripiegamento. I contatti residuo-residuo simili a quelli presenti nella struttura ripiegata finale vengono detti contatti nativi. Tali contatti si stabiliscono più facilmente quando i residui coinvolti sono vicini nella catena polipeptidica. Il processo di folding implica tipicamente un rapido collasso. Durante il collasso c'è la formazione rapida e irreversibile di strutture secondarie locali. Questa fase è seguita da una più lenta in cui la formazione di intermedi parzialmente strutturati conduce alla struttura terziaria finale nativa localizzata sul fondo dell'imbuto. Tutto questo appena descritto è definito modello dell'imbuto.
Oltre al modello ad imbuto, fu proposto il modello dell'unica via di ripiegamento, che include  numerose tappe in cui l'approccio alla conformazione nativa è accompagnato da un continuo aumento della stabilità della conformazione. Le tappe sono:
1.il ripiegamento di un polipeptide con struttura a gomitolo casuale inizia con la formazione di un piccolo frammento di struttura secondaria, come un α-elica o un ripiegamento β, che può agire da nucleo (impalcatura) per la stabilizzazione di altre regioni ordinate della proteina;
2.Interazioni tra le strutture secondarie;
3.formazione di un globulo fuso: una struttura compatta nella quale è avvenuto gran parte del ripiegamento della struttura secondaria e terziaria, ma nella quale i residui idrofobici racchiusi all'interno non si sono ancora assestati nel loro impacchettamento definitivo;
4.mediante una serie di piccoli aggiustamenti conformazionali, la catena polipeptidica raggiunge una struttura terziaria più compatta, la conformazione nativa di una proteina con una sola subunità;
5.le subunità si uniscono tramite legami chimicamente deboli;
6.ulteriori piccoli aggiustamenti conformazionali generano la struttura nativa della proteina;
Comunque in entrambi le ipotesi, la struttura primaria della proteina, bisogna dire, si è evoluta in modo da specificare sia sia vie di ripiegamento particolarmente efficaci sia la conformazione nativa.