Il ripiegamento delle proteine è un processo fisico mediante il quale un polipeptide si ripiega nella sua caratteristica struttura tridimensionale in cui è funzionale.
Ogni proteina inizia come un polipeptide, transcodificato da una sequenza di mRNA in una catena lineare di amminoacidi . Questo polipeptide non ha in questo momento una struttura tridimensionale sviluppata (vedi lato sinistro della figura). Tuttavia, si può considerare che ogni amminoacido nella catena abbia determinate caratteristiche chimiche essenziali. Può essere idrofobicità , idrofilia o carica elettrica , ad esempio. Interagiscono tra loro e queste interazioni portano, nella cellula, a una struttura tridimensionale ben definita, la proteina ripiegata (a destra nella figura), nota come stato nativo . La struttura tridimensionale risultante è determinata dalla sequenza di amminoacidi. Il meccanismo del ripiegamento delle proteine non è ancora completamente compreso, soprattutto l'ordine in cui le diverse parti si piegano. Il problema è difficile perché, ad esempio, alcune parti già piegate aiutano a piegare altre parti, rendendo il problema non lineare.
La determinazione sperimentale della struttura tridimensionale di una proteina è spesso molto difficile e costosa. Tuttavia, la sequenza di questa proteina è nota, in particolare dal sequenziamento completo dei genomi e dal rilevamento automatico delle sequenze codificanti. Di conseguenza, gli scienziati hanno provato a utilizzare diverse tecniche biofisiche per ripiegare "manualmente" una proteina, ovvero per prevedere la struttura di una proteina completa dalla sua sequenza. Se questo metodo ha portato risultati interessanti con proteine corte, l'attuale stato della scienza non riesce completamente a prevedere la struttura tridimensionale delle proteine integrali di membrana . Altre proteine sfuggono a questa analisi, ad esempio proteine che hanno molti ponti disolfuro o proteine sintetizzate sotto forma di pre-proteina, cioè sotto forma di proteina precursore scissa da proteasi specifiche per acquisire la loro maturità. Questo è il caso, ad esempio, dell'insulina.
La struttura tridimensionale corretta, o nativa, è essenziale affinché la proteina possa svolgere la sua funzione all'interno della cellula . Il mancato ripiegamento nella forma prevista produce proteine inattive con proprietà diverse (ad esempio, prioni ). Si ritiene che molte malattie neurodegenerative e di altro tipo derivino da un accumulo di proteine "mal ripiegate".
Christian Boehmer Anfinsen dimostra nel 1961 il ripiegamento della ribonucleasi e postula che la conformazione finale dipenda essenzialmente dalla successione degli amminoacidi che costituisce la proteina. Nel 1972 ha ricevuto il Premio Nobel per la chimica . Le proteine chaperone , necessarie per un certo ripiegamento, furono scoperte alla fine degli anni '80 da Franz-Ulrich Hartl e Arthur Horwich . I due scienziati hanno ricevuto il Premio Albert-Lasker per la ricerca medica di base nel 2011 per il loro lavoro sull'argomento.
Tuttavia, questo dogma si basa sull'idea che la piegatura dipende solo da vincoli termodinamici. Successivamente, sulla base del modello allosterico sviluppato da Monod-Wyman e Changeux, Jeannine Yon e Michel Goldberg , in un lavoro svolto in parallelo, introdussero gradualmente in Francia l'idea di un vincolo cinetico che gioca un ruolo anche in queste pieghe.
La sequenza amminoacidica (o struttura primaria ) di una proteina la predispone ad adottare la sua conformazione nativa (o una delle sue conformazioni native). Si ripiegherà spontaneamente durante o dopo la sua sintesi . Sebbene queste macromolecole possano essere pensate come "pieghevoli", il meccanismo dipende anche dalle caratteristiche del citosol , come la natura del solvente primario ( acqua o lipidi ), la concentrazione di sale , la temperatura e le proteine chaperone .
La maggior parte delle proteine ripiegate ha un nucleo idrofobico in cui tutte le catene laterali idrofobe stabilizzano lo stato ripiegato e catene laterali polari o caricate sulla loro superficie esposta al solvente attraverso il quale interagiscono con le molecole d'acqua circostanti. È generalmente accettato che la riduzione al minimo del numero di catene laterali idrofobe esposte all'acqua sia la principale forza trainante del processo di piegatura, sebbene una teoria proposta di recente enfatizzi i contributi forniti dal legame idrogeno .
Il processo di piegatura in vivo a volte inizia durante la traduzione , cioè il terminale N della proteina inizia a piegarsi mentre la porzione C-terminale della proteina è ancora sintetizzata dal ribosoma . Le proteine specializzate chiamate chaperones aiutano con il ripiegamento di altre proteine. Il sistema batterico GroEL , che aiuta nel ripiegamento delle proteine globulari , è un esempio ben studiato. Negli organismi eucarioti , le proteine chaperone sono note come proteine da shock termico . Sebbene la maggior parte delle proteine globulari siano in grado di raggiungere il loro stato nativo senza assistenza, il ripiegamento assistito da proteine chaperone è talvolta necessario in un ambiente intracellulare affollato per prevenire l' aggregazione ; Le proteine chaperone vengono utilizzate anche per prevenire il ripiegamento errato e l'aggregazione che possono verificarsi a seguito dell'esposizione al calore o ad altri cambiamenti nell'ambiente cellulare.
Molti scienziati sono stati in grado di studiare diverse molecole identiche che si piegano insieme in modo massiccio. Al livello più elementare, sembra che durante la transizione allo stato nativo, una data sequenza di amminoacidi prende più o meno lo stesso percorso e utilizza più o meno gli stessi intermedi e stati di transizione . La piegatura a volte comporta la creazione di strutture secondarie e supersecondarie regolari, in particolare eliche alfa e fogli beta , e quindi strutture terziarie . La formazione della struttura quaternaria comporta l '"assemblaggio" o "coassemblaggio" di sottounità che si sono già piegate. Le strutture regolari di fogli alfa e beta si piegano rapidamente perché sono stabilizzate da legami idrogeno , come stabilito da Linus Pauling . Il ripiegamento delle proteine può coinvolgere legami covalenti sotto forma di legami disolfuro formati tra due residui di cisteina o la formazione di cluster metallici. Poco prima di occupare la loro conformazione nativa energeticamente favorevole , le molecole possono passare attraverso uno stato intermedio di globulo fuso .
Il punto cruciale del ripiegamento, tuttavia, rimane che la sequenza amminoacidica di ciascuna proteina contiene le informazioni che specificano sia la struttura nativa che il percorso per accedervi. Ciò non significa che due sequenze di amminoacidi identiche si pieghino in modo identico. Le conformazioni differiscono a seconda dei fattori ambientali, ad esempio; proteine simili si piegano in modo diverso a seconda di dove si trovano. Il piegamento è un processo spontaneo indipendente dall'input di energia dei trifosfati nucleosidici . La transizione allo stato piegato è guidata principalmente dalle interazioni idrofobiche, dalla formazione di legami idrogeno intramolecolari e dalle forze di Van der Waals , ed è ostacolata dall'entropia conformazionale , che può essere superata da fattori estrinseci come le proteine chaperone.
In certe soluzioni e in certe condizioni le proteine non possono piegarsi nelle loro forme biochimiche funzionali. Temperature superiori (e talvolta inferiori) all'intervallo in cui vivono le cellule causeranno il dispiegamento o la denaturazione delle proteine (questo è uno dei motivi per cui l'albume è torbido dopo l'ebollizione). Alte concentrazioni di soluti , valori di pH estremi, forze meccaniche applicate o la presenza di denaturanti chimici possono portare allo stesso risultato. Una proteina completamente denaturata non ha né struttura terziaria né secondaria ed esiste come una sfera casuale . In determinate condizioni, alcune proteine possono piegarsi di nuovo; tuttavia, in molti casi la denaturazione è irreversibile. Le cellule a volte proteggono le loro proteine dall'influenza del calore con enzimi noti come chaperones o proteine da shock termico , che aiutano altre proteine a piegarsi e rimanere piegate. Alcune proteine non si piegano mai nelle cellule senza l'aiuto delle proteine chaperone, che sono in grado di isolare le proteine l'una dall'altra, quindi il loro ripiegamento non viene interrotto dalle interazioni con altre proteine. Possono anche aiutare a dispiegare le proteine mal ripiegate, dando loro un'altra possibilità di piegarsi correttamente. Questa funzione è fondamentale per prevenire il rischio di precipitazione in aggregati amorfi insolubili .
Proteine mal ripiegate sono responsabili di prion- malattie correlate come la malattia di Creutzfeldt-Jakob , encefalopatia spongiforme bovina (o morbo della mucca pazza), amyloidosis- come malattie come il morbo di Alzheimer , e molte altre forme di proteopathy quali la fibrosi cistica . Queste malattie sono associate alla multimerizzazione delle proteine dispiegate in aggregati extracellulari o inclusioni intracellulari insolubili; non è stabilito se le placche siano una causa o un sintomo della malattia.
La durata complessiva del processo di ripiegamento varia drasticamente a seconda della proteina considerata. I ripiegamenti più lenti richiedono da alcuni minuti a diverse ore per verificarsi, principalmente a causa di isomerizzazioni di prolina o scarsa formazione di legami disolfuro, e la maggior parte passa attraverso stati intermedi, proprio come i punti di controllo, prima che il processo sia completo. D'altra parte, proteine molto piccole a dominio singolo con lunghezze fino a un centinaio di aminoacidi si piegano in un unico passaggio. Le scale temporali di pochi millisecondi sono la norma e le reazioni di ripiegamento delle proteine più veloci conosciute si verificano in microsecondi. Il paradosso di Levinthal afferma che se una proteina si piega campionando tutte le conformazioni, ci vorrebbe una quantità di tempo astronomica per farlo, anche se le conformazioni fossero campionate ad alta velocità (sulla scala del nanosecondo o del picosecondo). Basandosi sull'osservazione che le proteine si piegano molto più velocemente di quello, Cyrus Levinthal ha proposto che una ricerca conformazionale casuale non avvenga durante il ripiegamento e che la proteina dovrebbe, invece, piegarsi secondo uno schema. "Percorso" preferenziale.
Lo studio del ripiegamento delle proteine è stato notevolmente migliorato negli ultimi anni dallo sviluppo di tecniche con potente risoluzione temporale. Questi sono metodi sperimentali per innescare rapidamente il ripiegamento di una proteina e quindi osservare le dinamiche risultanti. Le tecniche rapide e di ampia portata includono la miscelazione ultrarapida di soluzioni, metodi fotochimici e spettroscopia del salto di temperatura del laser . Tra i tanti scienziati che hanno contribuito allo sviluppo di queste tecniche ci sono Heinrich Roder , Harry Gray , Martin Gruebele , Brian Dyer , William Eaton, Sheena Radford, Chris Dobson, Alan Fersht e Bengt Nölting .
Il fenomeno del ripiegamento delle proteine è stato principalmente uno sforzo sperimentale fino alla formulazione della teoria del paesaggio energetico da parte di Joseph Bryngelson e Peter Wolynes alla fine degli anni '80 e all'inizio degli anni '90. Questo approccio introduce il principio di minore frustrazione che specifica che l'evoluzione ha selezionato le sequenze di amminoacidi nelle proteine naturali in modo che le interazioni tra le catene laterali favoriscano l'acquisizione da parte della molecola del suo stato ripiegato. Le interazioni che non promuovono questo aliasing vengono identificate come tali e "deselezionate", sebbene sia prevista una "frustrazione" residua. Una delle conseguenze della selezione di queste sequenze per evoluzione è che si ritiene generalmente che queste proteine abbiano un processo di ripiegamento all'interno di un "paesaggio orientato all'energia" (per usare l'espressione di José Onuchic) che punta in gran parte allo stato nativo. Questa direzione di ripiegamento del panorama energetico consente alla proteina di ripiegarsi allo stato nativo attraverso uno qualsiasi dei percorsi e degli intermediari, piuttosto che essere limitata a un singolo meccanismo. Questa teoria è supportata da simulazioni numeriche di proteine modello ed è stata utilizzata per la predizione di strutture e nella progettazione di proteine .
Le tecniche de novo o ab initio per la predizione numerica delle strutture proteiche sono correlate, ma distinte, agli studi sul ripiegamento delle proteine. La dinamica molecolare (MD) è uno strumento importante per lo studio del pieghevole e della dinamica delle proteine in silico . A causa del costo numerico, le simulazioni di piegatura mediante dinamiche molecolari ab initio con acqua esplicita sono limitate a peptidi e proteine molto piccole. Le simulazioni DM di proteine più grandi rimangono limitate alle dinamiche sulla struttura sperimentale o sulla sua struttura spiegata ad alta temperatura. Per simulare lunghi processi di ripiegamento (oltre un microsecondo circa), come il ripiegamento di proteine di piccole dimensioni (circa 50 residui) o maggiori, è necessario introdurre approssimazioni o semplificazioni dei modelli proteici. Un approccio che utilizza rappresentazioni ridotte di proteine (vengono definiti pseudo-atomi che rappresentano gruppi di atomi) e potenziali statistici non solo sono utili ai fini della predizione della struttura proteica , ma sono anche in grado di riprodurli. Percorsi di ripiegamento.
A causa dei molteplici percorsi possibili di ripiegamento, potrebbero esserci più strutture possibili. Un peptide composto da soli cinque amminoacidi può piegarsi in oltre 100 miliardi di strutture potenziali
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Determinare la struttura piegata di una proteina è una procedura lunga e complessa, che coinvolge metodi come la diffrattometria a raggi X o NMR . Uno dei campi di maggiore interesse è la predizione delle strutture native dalle sole sequenze di amminoacidi utilizzando metodi bioinformatici e di simulazione numerica.