"proteine di"

PROTEINE (dal greco proteios, che occupa il primo posto)
• costituite da una o più catene polipeptidiche;
• i peptidi sono eteropolimeri lineari formati da 0-50 amminoacidi (aa);
• si conoscono centinaia di aa diversi, ma solo venti fanno parte
delle proteine;
• le catene polipeptidiche contengono 100-300 aa;
• in natura esistono 1010-1012 proteine diverse di cui 50000 sono
presenti nell’uomo;
• il PM delle proteine è compreso tra alcune migliaia e diversi milioni;
• hanno sequenza aa unica e codificata nel nostro corredo genetico;
• nelle cellule costituiscono il 50% della sostanza secca;
• nell’organismo umano rappresentano il 14-18%;
• negli alimenti, rappresentano lo 0-30% del prodotto fresco.
ALCUNE FUNZIONI BIOCHIMICHE
• modulano l’espressione dei geni (repressori) e intervengono nella
duplicazione, trascrizione e traduzione del DNA;
• regolano il metabolismo, come enzimi e come ormoni;
• trasportano diverse molecole (ad es. emoglobina) attraverso i liquidi
circolanti e attraverso le membrane cellulari (“pompe” e “canali proteici”);
• intervengono nella coagulazione del sangue (ad es. fibrinogeno);
• proteggono l’organismo dalle infezioni (anticorpi);
• danno luogo a strutture contrattili (ad es. actina, miosina);
• partecipano alla generazione e trasmissione degli impulsi nervosi;
• costituiscono la struttura di sostegno dei tessuti animali (ad es. cheratina,
collageno, elastina);
• rappresentano forme di deposito di principi nutritivi a cui attingono
l’embrione animale o vegetale oppure il lattante (ad es. ovoalbumina,
caseina).
CARATTERISTICHE GENERALI delle PROTEINE CONTENUTE negli ALIMENTI
• le troviamo in quasi tutti gli alimenti eccetto zucchero, olio, bevande alcoliche;
• molto importanti dal punto di vista nutritivo quelle dei tessuti muscolari (40%
actina e miosina) e quelle di deposito (del latte, delle uova, dei semi);
• alcune, contenute negli alimenti, sono dannose per l’organismo:
fattori antinutrizionali (vengono inattivati con la cottura, ad es. le lectine, con potere
emoagglutinante, presenti nelle leguminose, nei cereali; gli inibitori di enzimi ad es.
dell’amilasi, contenuti nella cariosside del frumento);
allergeni (possono esserlo, in individui sensibili, proteine del latte vaccino, dell’uovo,
dei crostacei, delle arachidi, provocando reazioni allergiche più o meno gravi);
tossine (prodotte da microrganismi contaminanti o presenti nell’animale o nella
pianta; ad es. tossina botulinica).
prioni (responsabili di alcune malattie degenerative del sistema nervoso negli
animali, come lo scrapie negli ovini e la malattia della mucca pazza e più raramente
nell’uomo, encefalopatia spongiforme).
PEPTIDI
• Possono essere di origine non proteica e quindi contenere
amminoacidi diversi dai 20 che costituiscono le proteine;
• nelle cellule svolgono importanti funzioni biologiche:
alcuni hanno funzione ormonale (ad es. l’ossitocina ha grande
importanza nel parto perché stimola la muscolatura liscia dell’utero);
• interessanti esempi di peptidi non proteici vengono dal mondo dei
microrganismi e dei vegetali: le amatossine e le fallotossine dei
funghi velenosi (amanita) sono oligopeptidi che resistono al calore e
all’essiccamento; distruggono tessuto epatico e renale.
AMMINOACIDI
• L’importanza alimentare delle proteine è dovuta ai loro costituenti, cioè
gli amminoacidi (aa);
• il nostro organismo ha bisogno di aa per costruire le sue proteine ed
altre molecole;
• nove aa in particolare sono essenziali e vanno quindi introdotti con la
dieta perché l’organismo o non riesce a sintetizzarli da solo, o lo fa molto
lentamente;
• gli aa possono essere classificati in base alla natura del gruppo R:
R carico
(a pH neutro)
aa carichi positivamente o aa
basici: lisina, arginina, istidina
aa carichi negativamente o aa acidi:
acido glutammico e aspartico.
R neutro
R apolare alifatico: glicina, alanina,
Poco o
leucina, isoleucina, valina, prolina.
affatto
solubili
R apolare aromatico:
in H2O
fenilalanina, tirosina, triptofano.
R polare: -OH (serina, treonina); SH (cisteina); -SCH3 (metionina); CONH2 (asparagina e glutammina)
Molto
più
solubili
in H2O
*amminoacidi
essenziali
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
• gli aa hanno almeno un atomo di carbonio asimmetrico (C α) per cui
sono molecole chirali; quelli proteici appartengono alla serie L;
O
R
OH
NH2
O
R
O+
NH3
Struttura prospettica
di un L-aa.
COOH
H2N
H Proiezione di
Fischer di un L-aa.
R
• in soluzione acquosa neutra esistono come ioni dipolari o
zwitterioni;
• solidificano come cristalli ionici, con p.f. >200°C;
• essendo anfoliti, li troviamo in forme diverse a seconda
del pH a cui si trovano;
AMMINOACIDO
pI
Glicina
5,97
Alanina
6,02
Valina
5,97
zwitterionica, cioè in cui non presenta carica
Leucina
5,98
Isoleucina
6,02
netta; il valore di pI dipende dalle costanti di
Metionina
5,06
Fenilalanina
5,48
Triptofano
5,88
Serina
5,68
Treonina
5,60
Cisteina
5,02
Tirosina
5,67
Asparagina
5,41
Glutammina
5,70
Acido aspartico
2,98
Acido glutamminico
3,22
Arginina
10,76
Lisina
9,74
Istidina
7,59
Prolina
6,30
• ogni aa ha un preciso valore di pH (pI =
punto isoelettrico) in cui si trova in forma
dissociazione dei gruppi acidi e basici presenti
nella molecola;
• per aa monoamminomonocarbossilici il pI è
vicino a sei;
• oltre ai venti aa che costituiscono le proteine
ve ne sono altri con importanti funzioni
biologiche (citrullina, ornitina, β-alanina, ecc.);
• alcuni aa proteici possono essere presenti in forma modificata
(metilata ad es. 3-metilistidina della miosina;
ossidrilata ad es. idrossiprolina del collageno,
carbossilata, ad es. acido γ-carbossiglutammico della
protrombina attiva;
fosforilata, ad es. fosfoserina dalla fosforilasi);
tali modificazioni sono indispensabili per le funzioni delle
proteine cui appartengono.
STRUTTURA DELLE PROTEINE
• Anche la struttura tridimensionale delle
catene polipeptidiche determina le
funzioni biologiche della molecola.
Struttura primaria
• E’ determinata dalla specifica
sequenza amminoacidica che
ogni proteina ha.
• Minimi
cambiamenti
nella
struttura
primaria
possono
ripercuotersi anche gravemente
sulle funzioni biologiche della
proteina;
ad es. cambiamento di un aa con un
altro: es. l’anemia falciforme è dovuta
alla sostituzione dell’acido
glutammico in posizione 6 della
catena β nell’emoglobina con la
valina.
• La struttura primaria è determinata geneticamente: le sequenze aa di
tutte le proteine di un individuo sono codificate in tratti del suo DNA (geni).
• Le conformazioni strutturali possibili per una proteina sono innumerevoli, ma
una è quella favorita, quella a minore energia, detta forma nativa.
• Stabilità della struttura primaria: legame peptidico e ponti disolfuro (tra
residui di cisteina anche lontani nella sequenza aa).
Legame peptidico
O
NH2
OH
HO
O
O
R
+
R
C
O
C
60
%
NH2
HN
NH2
R
O
R
ON
H
C
C
N+
NH2
C
H
40
%
C
Oδ-
x
C
δ+
N
H
C
Rotazione
bloccata
intorno al
legame C-N
Struttura secondaria
• E’ data dalle conformazioni spaziali assunte dalle catene peptidiche
singolarmente, in tratti più o meno estesi della proteina.
• E’ dovuta agli angoli tra i piani su cui giacciono i vari legami peptidici.
• Le principali sono:
•
•
•
•
α elica, frequente, ma per brevi
tratti, più frequentemente destrorsa;
angoli 80°; 3.6 aa ogni spira;
gruppi R all’esterno;
leg.H stabilizzanti;
alcune sequenze aa non sono
compatibili per carica o ingombro;
alcune α eliche si attorcigliano
insieme, con leg. H, ad es. α
cheratina dei capelli e delle unghie;
lamina β, frequente, es. fibroina della seta;
(angoli 120°, struttura molto più distesa; gli aa si susseguono formando un
foglio pieghettato;
gli R emergono dagli spigoli alternativamente al di sopra e al di sotto del foglio;
due o più catene aa si trovano affiancate attraverso ponti di H.
O
N
H
R11O
H
N
R12O
O R1
N
H
H
N
O R2
R9 O
H
N
N
H
R10O
O R3
N
H
H
N
4
O R
R7
H
N
N
H
R8 O
O R5
N
H
H
N
6
O R
- β turn: inversioni a U della catena (elica α o foglio β) dovute ad un legame H
tra il carbonile di un aa e l’NH del terzo successivo
11
R
O
R10
N
N
O
R9
H
H
N
H
O
R7
H
O
N
R8
O
- elica del collageno: tre catene polipeptidiche avvolte ad elica levogira ed
attorcigliate insieme. Legami a H solo intermolecolari. Ogni spira è costituita
da tre aa di cui uno è sempre la glicina, gli altri due spesso prolina e
idrossiprolina. Il collageno è la proteina più abbondante nei mammiferi
(muscoli, cartilagini, ossa, tendini, pelle, ecc.).
• Ci
possono essere tratti della catena privi di struttura secondaria
(random coil, tratto casuale o a gomitolo).
Struttura terziaria
• ulteriore organizzazione tridimensionale compatta della molecola data
dalla reciproca disposizione spaziale delle strutture secondarie.
• è presente soprattutto nelle proteine globulari. Le proteine fibrose,
con funzione essenzialmente meccanica sono strutturate in modo più
semplice e in genere non vanno oltre la struttura secondaria.
• Le diverse strutture terziarie si riflettono sulla funzione specifica delle
singole proteine.
• E’ stabilizzata da una serie di legami:
• covalenti (ponti disolfuro);
• ionici;
• a H;
• idrofobici.
• I domini sono le parti della molecola che si distinguono per la
particolare struttura spaziale (40-400 aa).
Struttura quaternaria
• associazione di più catene polipeptidiche
aventi già struttura terziaria.
• riguarda proteine molto complesse, con
particolari funzioni. Ad es. l’emoglobina
formata da 4 subunità: 2 catene α e 2 β a
ciascuna delle quali è legato un gruppo eme.
CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE
• in base alla forma
Fibrose: funzione meccanica (fibroina,
miosina, cheratina, collageno, elastina, ecc.;
Globulari: tutte le altre;
• in base alla
composizione
chimica
Semplici: dall’idrolisi si ottengono solo aa;
composizione: C50%, O23%, N16%, H7%,
S3%max;
Coniugate: contengono un gruppo prostetico
legato covalentemente o non;
Protammine e istoni: basiche, solubili in
acqua, contengono diamminoacidi;
associate agli acidi nucleici, si trovano nei
cromosomi (nucleoproteine); le protammine
non coagulano al calore;
Albumine: solubili in acqua, coagulano al
calore; es. lattoalbumina, ovoalbumina, ecc.
• in base alle
proprietà chimicofisiche
Globuline: solubili in sol. saline dil. a pH
neutro, coagulano al calore; es.
ovoglobulina, fibrinogeno, ecc.
Prolammine: solubili in etanolo al 70%; es.
gliadina nel frumento.
Gluteline: solubili in acidi e alcali diluiti; es.
glutenina nel frumento.
Scleroproteine: insolubili in acqua, acidi,
alcali e sol. saline; il collagene bollito in
acqua e lasciato raffreddare gelatinizza.
G
l
o
b
u
l
a
r
i
F
i
b
r
o
s
e
PROPRIETA’ NUTRIZIONALI
• la loro importanza è dovuta al fatto che ci forniscono aa che hanno
funzione:
– plastica (“mattoni” per la sintesi di proteine umane);
– regolatrice (precursori di molecole biologicamente importanti);
– energetica (ossidazione con il ciclo di Krebs o trasformazione in
glucosio, gluconeogenesi).
• idrolisi nell’apparato digerente ad opera di pepsina e peptidasi che
le scindono in aa liberi, di- e tripeptidi; gli aa vengono assorbiti
a livello intestinale e sono poi portati al fegato che è l’organo
chiave: regola l’utilizzazione ed il metabolismo degli aa.
BISOGNI PROTEICI ed in aa ESSENZIALI
• le proteine del nostro corpo vengono in parte riutilizzate, ma ca. 1/5
viene utilizzata per la sintesi di sostanze non proteiche, per cui è
necessario assumere aa essenziali e non, con la dieta.
• Il bisogno proteico totale è maggiore durante la crescita, la
gravidanza e l’allattamento, nel corso o in seguito a stati patologici;
• l’adulto sano dovrebbe assumere con la dieta 0,75 g/Kg di peso
corporeo al giorno di proteina di alta qualità (52,5 g/die per un uomo di
70 Kg), ca. 10% dell’energia totale;
• le proteine in eccesso rispetto ai fabbisogni non vengono
immagazzinate, mentre se la dieta non assicura abbastanza calorie, gli
aa vengono utilizzati in tutto o in parte per produrre energia;
• il fabbisogno in aa essenziali è massimo nei primi mesi di vita e
decresce con l’età in maniera molto maggiore di quanto non sia per il
fabbisogno proteico totale (notevole capacità dell’organismo adulto di
riciclare gli aa essenziali);
• anche il carente apporto di un solo aa compromette la sintesi
proteica e gli aa presenti vengono degradati.
VALORE PROTEICO degli ALIMENTI
• è dato da quantità, qualità, digeribilità delle proteine contenute
nell’alimento;
• proteine ad alto valore biologico: di origine animale, hanno
composizione aa vicina a quella delle proteine umane;
Latte vaccino: 3,5 %
uova: 13 %
carne, pesce: 15-20 %
formaggi: 20-35 %
Le proteine globulari hanno
maggiore digeribilità rispetto
alle fibrose.
• Cereali e legumi: 8-40 %; sono proteine con discreto valore biologico, ma la loro
disponibilità è abbassata per l’associazione alla fibra nell’alimento e per la presenza di
fattori antinutrizionali. Contengono tutti gli aa essenziali, ma alcuni in quantità troppo
basse: lisina, treonina e triptofano per i cereali, metionina per i legumi. Piccole quantità
di proteine animali (in particolare quelle del latte hanno un’adatta composizione) sono
sufficienti ad integrare quelle dei cereali. Anche le proteine dei legumi possono
compensare il contenuto proteico dei cereali, tuttavia si ritiene opportuno che almeno
il 30-40 % del fabbisogno proteico giornaliero sia di origine animale.
• Frutta e ortaggi: bassi contenuti (ca. 3 %) sia qualitativi che quantitativi.
Whole egg
aminoacidi
essenziali in
proteine di diversi
alimenti in
relazione al loro
contenuto nelle
proteine del latte
materno
Peas
Wheat
Ph
Isoleucine
Vaccine milk
Methionine
Beef
Soy
Peas + wheat
Leucin
Phenylalanine
Lysine
P
h
Threonine
Ph
Ph
Tryptophan
Hystidin
Valin
Phen
ylala
nine
PROPRIETA’ FUNZIONALI DELLE PROTEINE
• Sono proprietà chimico-fisiche che determinano alcuni caratteri
organolettici (aspetto, consistenza, ecc.) degli alimenti ed il loro
comportamento nelle trasformazioni alimentari (assorbimento di acqua,
rigonfiamento, formazione di gel, schiume, ecc.).
• idratazione;
• interazione con altre proteine;
• di superficie;
Dipendono anche da c,
pH, T, presenza di altre
sostanze, ecc.
Interazioni proteine-acqua
• l’acqua degli alimenti si trova quasi sempre associata alle proteine, ne
modifica forma e ne influenza proprietà chimico-fisiche;
• l’acqua può essere libera (o congelabile, acqua di imbibizione ⇒ si
è insinuata nei pori per capillarità ed è trattenuta fisicamente)
oppure legata (incongelabile, di struttura o adsorbita sulla
superficie);
• la solubilità in acqua è una proprietà a cui spesso sono legate altre
funzioni della proteina e dipende da diversi fattori: ad es. aumenta
allontanandosi dal pI e diminuisce con la denaturazione (sovente si ha
precipitazione a seguito di riscaldamento a T > 50°C).
Interazioni proteina- proteina
• le proteine tendono ad aggregarsi tra di loro attraverso legami (a H,
covalenti di -S-S-, idrofobici, dipolari) in due modi: disordinato
(precipitazione) o con ordine (gelificazione);
• affinchè si formi un gel (importante nella preparazione di cibi) si deve
avere un dispiegamento delle proteine con esposizione dei gruppi R
che possono così interagire ordinatamente.
• le interazioni idrofobiche sono favorite ad alte T, mentre i legami H, a
basse T;
•i
gel
stabilizzati
da
ponti
disolfuro
(es.
ovoalbumina)
sono
termoirreversibili, quelli stabilizzati da leg. H sono termoreversibili (es.
gelatina del collageno).
Proprietà di superficie
• fondamentali nella formazione e stabilizzazione di schiume ed
emulsioni:
– schiume: bolle d’aria disperse in una fase liquida o
semiliquida continua (es. albume montato a neve);
– emulsioni: minute gocce di un liquido (fase dispersa)
sospese in un altro (fase continua); di solito la fase
dispersa è costituita da lipidi e quella continua da acqua
(es. latte), ma a volte è il contrario (es. burro).
• le proteine facilitano la formazione di schiume ed emulsioni
disponendosi sulla superficie all’interfaccia tra la fase dispersa e la
fase continua abbassando la tensione superficiale (per far ciò devono
essere povere di strutture secondarie e terziarie oppure devono aver
subito parziale denaturazione, svolgendosi);
• le emulsioni sono stabilizzate da proteine con gruppi R idrofobici che
possono instaurare legami con le bolle lipidiche (es. caseine); le
proteine con superficie molto idrofila (es. proteine del siero del latte)
hanno scarso potere emulsionante;
• le schiume sono stabilizzate da proteine molto flessibili e mobili che
contrastano la rottura delle bolle d’aria.
DOSAGGIO delle PROTEINE
Scandalo melamina nel latte,
Si fa riferimento alla quantità di azoto presente
in un determinato peso di un alimento,
settembre 2008, Cina
assumendo che provenga tutto da fonti
proteiche.
Metodo Kjeldahl
Scaldando a lungo pochi grammi dell’alimento in esame
con H2SO4, si ottiene la completa mineralizzazione della
frazione organica. Tutto l’azoto presente si trasforma in
ammonio(solfato), il quale trattato con una base forte,
libera ammoniaca che viene titolata. La quantità di N va
moltiplicata per un fattore di conversione (circa 6) ottenuto
calcolando la percentuale media di azoto nelle proteine
(ca.16%).
Latte 6.68 (15.0%N)
Uova 6.38 (15.7%N)
Cereali 5.70 (17.5%N)
Carne 6.25 (16%N)
Dosaggio degli amminoacidi
Al campione proteico viene addizionato HCl 6N e si porta all’ebollizione che viene protratta
per 24h. In tal modo si ha un’idrolisi totale, con liberazione di tutti gli aa della proteina che
possono essere poi dosati ed identificati con diversi metodi.
R2
O
O
O
H
N
H2 N
+H N
3
N
H
R1
OH
O
O
O
H+, H2 O
R3
METODO CROMATOGRAFICO:
OH
+
+H N
3
+H N
3
R1
OH
R2
+
OH
R3
Si usano resine a scambio cationico, polimeri
insolubili a cui sono legati gruppi -SO3-.
Si fa passare attraverso una colonna impaccata con resina
a scambio cationico, una
soluzione acida contenente la miscela di aa. Questi sono trattenuti dalla resina a causa delle
forze attrattive che si esercitano tra i gruppi solfonato ed i gruppi e le cariche positive degli
aa. Gli aa più basici (con più cariche positive) sono trattenuti più fortemente dalla resina. Si
fa eluire la miscela di aa con una soluzione tampone a pH acido, poi mano a mano si
aumenta il pH dell’eluente cambiando la soluzione tampone, in modo da “spostare” dalla
resina anche gli aa più basici.