Polipeptide

Polipeptide
n., plurale: polipeptidi

Definizione: Un polimero di aminoacidi uniti da legami peptidici. Image credit: CNX OpenStax

Definizione polipeptide Biologia

Cosa sono i polipeptidi? Un polipeptide è definito come un polimero di aminoacidi uniti da legami peptidici (Figura 1).

Polipeptidi più grandi o più di un polipeptide che si presentano insieme sono chiamati proteine. Le proteine sono polimeri di amminoacidi che spesso si legano a piccole molecole (ad esempio, ligandi, coenzimi), ad altre proteine o ad altre macromolecole (DNA, RNA, ecc.) Pertanto, i mattoni delle proteine sono chiamati amminoacidi. Le proteine hanno un ruolo vitale nella biologia, funzionando come gli elementi costitutivi di muscoli, ossa, capelli, unghie, oltre a formare enzimi, anticorpi, muscoli, tessuto connettivo e molto altro. I peptidi sono catene più corte di aminoacidi (due o più), il che li distingue dai polipeptidi che sono molto più lunghi.

Struttura polipeptidica

Un polimero prodotto da un organismo vivente è chiamato biopolimero. Ci sono quattro classi principali di biopolimeri: (1) polisaccaridi, (2) polipeptidi, (3) polinucleotidi e (4) acidi grassi. Quali polimeri sono composti da aminoacidi? Un polipeptide è una catena non ramificata di aminoacidi che sono collegati tra loro da legami peptidici. Il legame peptidico collega il gruppo carbossilico di un amminoacido al gruppo amminico dell’amminoacido successivo per formare un’ammide. Cosa sono i peptidi? I polipeptidi brevi possono essere denominati in base al numero di amminoacidi monomerici che li compongono. Per esempio, un dipeptide è un peptide composto da due subunità di aminoacidi, un tripeptide è un peptide composto da tre subunità di aminoacidi, e il tetrapeptide è un peptide composto da quattro subunità di aminoacidi.

Definizione di aminoacido Biologia

Gli aminoacidi che costituiscono i polipeptidi contengono un gruppo amminico alcalino (-NH2), un gruppo carbossilico acido (-COOH), e un gruppo R (catena laterale). Il gruppo R è variabile nei suoi componenti ed è unico per ogni amminoacido. Ogni molecola di amminoacido contiene un atomo di carbonio (α-carbonio). Nella maggior parte dei casi, i gruppi amminico e carbossilico sono attaccati al carbonio α (figura 2).

Definizione di legame peptidico

Un legame peptidico (legame aminoacido) è il legame tra gli aminoacidi. Questo forma la struttura primaria di una lunga catena polipeptidica. Le proteine sono costituite da uno o più polipeptidi che hanno interagito insieme per formare la conformazione finale, stabile e funzionante.

Gli amminoacidi possono essere sia α-amminoacidi che β-amminoacidi. Quando sia il gruppo carbossilico che quello amminico sono attaccati al carbonio centrale, sono conosciuti come α-amminoacidi. Nei β-amminoacidi, i gruppi carbossile e amminico sono attaccati a una diversa molecola di carbonio. La figura 3 mostra un esempio di un α-amminoacido e un β-amminoacido.

Ci sono 21 aminoacidi usati dagli eucarioti per generare proteine (sintesi proteica). Tutti variano per differenze nelle loro catene laterali. Gli esseri umani e gli altri animali vertebrati possono produrre 12 di questi, che sono chiamati aminoacidi non essenziali. I restanti 9 aminoacidi devono essere ingeriti perché non possono essere prodotti nel corpo ma sono prodotti da altri organismi. Questi sono chiamati aminoacidi essenziali.

Fino a poco tempo fa, la lista degli aminoacidi era composta da 20. Tuttavia, la selenocisteina è stata aggiunta come 21° aminoacido nel 1986. La selenocisteina si trova in alcune rare proteine nei batteri e negli esseri umani. Ancora più recentemente, è stato suggerito di nominare la pirrolisina come 22° aminoacido. Tuttavia, la pirrolisina non è usata nella sintesi proteica umana. La tabella 1 mostra le liste degli aminoacidi essenziali e non essenziali. La figura 4 illustra la struttura di 21 aminoacidi.

Formazione di polipeptidi

La variazione delle catene laterali del gruppo R altera la chimica della molecola di aminoacido. La maggior parte degli aminoacidi ha catene laterali che non sono polari (non hanno poli positivi e negativi). Altri hanno catene laterali caricate positivamente o negativamente. Alcuni hanno catene laterali polari che sono senza carica. La chimica della catena laterale influenza il modo in cui gli aminoacidi si legano insieme quando formano la struttura finale della proteina.

Se gli aminoacidi hanno catene laterali cariche, possono formare legami ionici. Se le catene laterali sono idrofobiche, possono unirsi con interazioni di van der Waals. Gli aminoacidi polari possono unirsi con legami a idrogeno. Quindi, le interazioni tra le catene laterali di una lunga catena di aminoacidi e il loro ordine nella catena determinano come si forma la molecola proteica, cioè dove si ripiega. Maggiori informazioni sui diversi legami e interazioni tra gli aminoacidi saranno discusse più avanti in questa sezione.

Le proteine hanno 4 livelli di struttura: la struttura primaria, la struttura secondaria, la struttura terziaria e la struttura quaternaria.

1. Struttura primaria Struttura primaria

Cos’è una sequenza polipeptidica? In termini semplici, i polipeptidi sono catene di amminoacidi. La struttura primaria di una proteina inizia con la formazione di un legame peptidico tra gli amminoacidi che porta alla creazione di un peptide.

Che cos’è un legame peptidico? I legami peptidici esistono tra il gruppo α-carbossilico di un amminoacido e il gruppo α-ammino di un altro amminoacido. Questo forma una struttura bidimensionale stabile con catene laterali che si estendono dalla catena polipeptidica. Questo permette alle catene laterali di interagire con altre molecole. Questo atto di unire unità più piccole per creare un polimero più lungo è noto come polimerizzazione. Come si formano i legami peptidici? La reazione di unione di due aminoacidi è una reazione di condensazione. Questo perché una molecola di idrogeno e ossigeno viene persa dal gruppo carbossilico di 1 amminoacido, e una molecola di idrogeno viene persa dal gruppo amminico di un altro amminoacido. Questo produce una molecola d’acqua (H2O), da cui il termine reazione di condensazione.

2. Struttura secondaria

La struttura secondaria si forma quando si formano legami a idrogeno tra gli atomi nella spina dorsale del polipeptide (questo non include le catene laterali). Due modelli comuni che derivano dal ripiegamento ripetuto attraverso il legame idrogeno sono l’α-elica e il foglio β-pleato.

Nella struttura secondaria dell’α-elica, la spirale è destrorsa, e i legami idrogeno si trovano tra ogni quarto amminoacido. L’α-cheratina è un esempio di una proteina composta da α-eliche. Questa proteina si trova nei capelli e nelle unghie.

Il foglio β-pleato è l’altra struttura secondaria comune. Si verifica quando due catene polipeptidiche si trovano una accanto all’altra e si formano legami idrogeno tra loro. Ci sono due tipi di fogli β-pleati; questi sono il foglio β-pleato parallelo e il foglio β-pleato antiparallelo. All’estremità di un polipeptide, c’è un gruppo carbossilico libero o un gruppo amminico libero.

In un foglio β-pleato parallelo, le due catene polipeptidiche corrono nella stessa direzione con lo stesso gruppo ad ogni estremità. In un foglio β-pleato antiparallelo, i polipeptidi corrono in direzioni diverse. La figura 6 illustra un foglio β-pleato antiparallelo e un’α-elica.

Una struttura secondaria meno comunemente conosciuta è la β-barile. In questo caso, i polipeptidi corrono antiparalleli l’uno all’altro, ma si sono anche arrotolati a forma di barile con legami idrogeno tra il primo e l’ultimo amminoacido (figura 7).

Anche se i legami idrogeno negli aminoacidi sono deboli, la combinazione di tutti i legami idrogeno insieme dà stabilità alla struttura permettendole di mantenere la sua forma.

3. Struttura terziaria

La struttura terziaria del polipeptide è definita come la struttura tridimensionale. La proteina inizia un ulteriore ripiegamento risultante dalle interazioni della catena laterale (gruppo R) nella sequenza primaria. Questo avviene tramite legami idrofobici, legami idrogeno, legami ionici, legami disolfuro e interazioni di Van der Waals.

• Legami idrofobici: catene laterali non polari e i gruppi idrofobici insieme. Rimangono all’interno della proteina lasciando le catene laterali idrofile all’esterno che sono in contatto con l’acqua.
• Legami idrogeno – si verificano tra un atomo elettricamente negativo e un atomo di idrogeno che è già legato a un atomo elettricamente negativo. Sono più deboli dei legami covalenti e ionici ma più forti delle interazioni di Van der Waals.
• Legami ionici – uno ione con carica positiva forma un legame con uno ione con carica negativa. Questi legami sono più forti all’interno di una proteina dove l’acqua è esclusa in quanto l’acqua può dissociare questi legami.
• Interazioni di Van der Waals – questo si riferisce alle interazioni elettriche tra atomi o molecole vicine. Queste interazioni sono deboli, tuttavia, se ci sono un certo numero di queste interazioni in una proteina, si può aggiungere alla sua forza.
• Legame disolfuro – questo è un tipo di legame covalente ed è anche il legame più forte trovato nelle proteine. Comporta l’ossidazione di 2 residui di cisteina con conseguente legame covalente zolfo-zolfo. Quasi un terzo delle proteine eucariotiche sintetizzate contengono legami disolfuro. Questi legami forniscono stabilità alla proteina. La figura 8 mostra i diversi legami coinvolti nella struttura terziaria di una proteina.

4. Struttura quaternaria

Nella struttura quaternaria, le catene di polipeptidi iniziano ad interagire tra loro. Queste subunità proteiche si legano insieme tramite legami a idrogeno e interazioni di van der Waals. La loro disposizione permette la funzionalità specifica della proteina finale. I cambiamenti di conformazione possono essere dannosi per le loro azioni biologiche. L’emoglobina è un esempio di proteina con una struttura quaternaria. È composta da 4 subunità.

E’ da notare che non tutte le proteine hanno una struttura quaternaria, molte proteine hanno solo una struttura terziaria come conformazione finale.

I polipeptidi sono proteine? In alcuni casi, la parola polipeptide è usata in modo intercambiabile con la parola proteina. Tuttavia, una proteina può consistere in più di una catena di polipeptidi, quindi usare il termine polipeptide per tutte le proteine non è sempre corretto.

Funzioni dei polipeptidi con esempi

I polipeptidi e le loro proteine risultanti si trovano in tutto il corpo. Qual è la funzione di un polipeptide? I ruoli dei polipeptidi dipendono dal contenuto di aminoacidi. Ci sono più di 20 aminoacidi, e la lunghezza media di un polipeptide è di circa 300 aminoacidi. Questi amminoacidi possono essere disposti in qualsiasi sequenza. Questo permette un numero enorme di possibili variazioni di proteine. Tuttavia, non tutte queste proteine avrebbero una conformazione 3D stabile. Le proteine che si trovano nelle cellule non solo sono stabili nella loro conformazione, ma sono anche uniche l’una rispetto all’altra.

Quali sono gli esempi di polipeptidi? Gli esempi più importanti di proteine includono i trasportatori, gli enzimi, gli ormoni e il supporto strutturale.

Trasportatori

Ci sono trasportatori di proteine e trasportatori di peptidi. I trasportatori di peptidi si trovano nella famiglia dei trasportatori di peptidi (PTR). La loro funzione è di agire come proteine di membrana in una cellula per assorbire piccoli peptidi (di- o tri-peptidi). Ci sono 2 tipi principali di trasportatori di peptidi, PEPT1 e PEPT2. PEPT1 si trova nelle cellule intestinali e aiuta l’assorbimento di di- e tripeptidi. La PEPT2 invece si trova soprattutto nelle cellule renali e aiuta il riassorbimento di di- e tripeptidi.

Enzimi

I polipeptidi costituiscono anche gli enzimi. Gli enzimi iniziano (catalizzano) o accelerano le reazioni biochimiche. Sono biomolecole che aiutano nella sintesi e nella scomposizione delle molecole. Tutti gli organismi viventi usano gli enzimi, e sono vitali per la nostra sopravvivenza. Si crede che gli enzimi catalizzino circa 4000 diverse reazioni biochimiche nella vita. Tutti gli enzimi sono chiamati con la desinenza -ase. Ci sono 6 gruppi funzionali di enzimi: ossidoreduttasi, transferasi, idrolasi, liasi, isomerasi e ligasi. La lattasi, per esempio, è un’idrolasi che causa l’idrolisi (reazione di degradazione con acqua) del lattosio (zucchero del latte) in monomeri di galattosio e glucosio (figura 10). La lattasi si trova nell’uomo e negli animali e ha la funzione di aiutare la digestione del latte. Si trova anche in alcuni microrganismi.

Ormoni

Gli ormoni possono essere sia a base di steroidi che di peptidi. Gli ormoni polipeptidici e proteici variano nella loro dimensione con alcuni che consistono solo di pochi aminoacidi mentre altri sono grandi proteine. Sono prodotti nelle cellule nel reticolo endoplasmatico ruvido (RER) e poi si spostano nell’apparato di Golgi. Sono poi collocate in vescicole fino a quando sono necessarie/stimolate per la secrezione all’esterno della cellula.

L’insulina è un esempio di ormone proteico. Ha una lunghezza di 51 residui di aminoacidi ed è composta da 2 catene polipeptidiche note come catena A e catena B. Le cellule beta del pancreas sintetizzano questo ormone. L’insulina aiuta il corpo a regolare i livelli di zucchero nel sangue rimuovendo il glucosio in eccesso dal sangue e permettendogli di essere immagazzinato per un uso successivo (figura 11).

Supporto strutturale

Infine, le proteine strutturali forniscono forma e supporto agli organismi viventi. Per esempio, possono fornire supporto in una parete cellulare. Si trovano anche nel tessuto connettivo, nei muscoli, nelle ossa e nella cartilagine. L’actina è un esempio di proteina strutturale che si trova nelle cellule. È la proteina più abbondante che si trova nelle cellule eucariotiche. Nelle cellule muscolari, aiutano a sostenere la contrazione muscolare. Forma anche il citoscheletro delle cellule aiutandole a mantenere la loro forma. Inoltre, l’actina è coinvolta nella divisione cellulare, nella segnalazione cellulare e nel movimento degli organelli.

• Bock, A. et al. (1991). Selenocisteina: Il 21° aminoacido. Biologia Molecolare. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). La forma e la struttura delle proteine. Biologia molecolare della cellula. 4a edizione. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26830/#:~:text=Since%20each%20of%20the%2020,catene%20n%20amino%20acidi%20lunghi.
• Candotti, F. Peptide. Istituto nazionale di ricerca sul genoma umano. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). Sintesi proteica. Biologia molecolare, Cellula accademica, terza edizione. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Essentials of Cell Biology. (2014). Le funzioni delle proteine sono determinate dalle loro strutture tridimensionali. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biochimica, Aminoacidi essenziali. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminoacidi. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (seconda edizione), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Quanti aminoacidi sono nel corpo – Essenziali e non essenziali. Tendenze scientifiche. Quanti aminoacidi sono nel corpo: essenziali e non essenziali | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminoacidi, peptidi e proteine. Principi di chimica organica. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Produzione, purificazione e applicazione di enzimi microbici. Biotecnologia degli enzimi microbici. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Struttura e funzione delle proteine. Biochimica integrata di Elsevier. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Formazione del legame disolfuro. Manuale dei peptidi biologicamente attivi (seconda edizione). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biochimica, Struttura secondaria delle proteine. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Ruolo dei trasportatori di aminoacidi nel metabolismo delle proteine. The Molecular Nutrition of Amino Acids and Proteins, Academic Press. 5 (49-64). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802167-5.00005-0