Il ruolo biologico di aminoacidi, proteine e peptidi nel corretto funzionamento e nella rigenerazione del corpo

Aminoacidi di diversa lunghezza e sequenza possono formare dimeri e polimeri. A seconda del numero di residui di amminoacidi nella catena polimerica, i polimeri sono suddivisi in peptidi e proteine. I peptidi contengono nella loro struttura circa 50 amminoacidi, mentre le proteine presentano in una o più catene un numero maggiore di residui di amminoacidi rispetto ai peptidi. Sia gli amminoacidi che le proteine e i peptidi svolgono un ruolo importante per il corretto funzionamento dell'organismo. Grazie alle moderne terapie peptidiche, è possibile favorire la rigenerazione dell'organismo.

Parole chiave: Peptide · Amminoacido · Proteina · α-Elica · β-Foglietto · Catena non polare · Alanina · Valina · Leucina · Isoleucina · Fenilalanina · Triptofano · Metionina · Prolina · Glicina · Serina · Treonina · Tirosina · Cisteina · Asparagina · Glutammina · Acido aspartico · Acido glutammico · Configurazione · Conformazione · Dipeptide · Oligopeptide · Legame peptidico · Ormone della crescita Elenco delle abbreviazioni: ACTH - Adrenocorticotropina; CRH - Corticoliberina; POMC - Proopiomelanocortina; MMC - Complesso motorio migrante; GRPP - Polipeptide pancreatico glicentino-dipendente; HGH - Ormone della crescita

Elenco delle abbreviazioni: ACTH - Adrenocorticotropina; CRH - Corticoliberina; POMC - Proopiomelanocortina; MMC - Complesso motorio migrante; GRPP - Polipeptide pancreatico glicentino-dipendente; HGH - Ormone della crescita

Il ruolo biologico degli amminoacidi, delle proteine e dei peptidi per il corretto funzionamento e la rigenerazione dell'organismo sarà illustrato di seguito, per chiarire il loro meccanismo d'azione e le possibilità terapeutiche.

Caratterizzazione degli amminoacidi

Gli amminoacidi sono tra i componenti più studiati degli organismi viventi e si presentano come derivati degli acidi organici, in cui almeno un atomo di idrogeno è sostituito da un gruppo amminico. Sono componenti ampiamente diffusi, presenti sia in forma libera che legata, nel caso di peptidi o proteine. Ogni amminoacido presente nelle proteine, con l'eccezione della prolina e dell'idrossiprolina, possiede un gruppo amminico legato al carbonio α e una catena laterale R, che può avere una struttura diversa e che è collegata allo stesso atomo di carbonio.

[caption id="attachment_626" align="aligncenter" width="600"] Fig. 1. Formula generale di un amminoacido. A. In forma libera B. Come ione zwitterionico.[/caption]

Nell'ambiente sono conosciuti circa 300 amminoacidi, ma solo 22 si trovano frequentemente, di cui 2 sono stati scoperti relativamente di recente e si trovano solo in alcune proteine. La presenza e la posizione degli amminoacidi già noti nella struttura proteica sono determinate da caratteristiche genetiche; in alcuni casi, è il risultato di modificazioni post-traduzionali dei residui di amminoacidi precedentemente incorporati nella catena proteica. Gli altri amminoacidi possono trovarsi in forma libera o in composti non legati alle proteine. Il ruolo di un amminoacido nella proteina è determinato dalla struttura della sua catena laterale, il che porta alla suddivisione degli amminoacidi in diversi gruppi, a seconda del tipo di catene laterali che possiedono.

Amminoacidi con catene laterali non polari

Il gruppo degli amminoacidi con catene laterali non polari include: Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina, Fenilalanina, Triptofano, Metionina, Prolina e Glicina. Per quanto riguarda gli ultimi due amminoacidi citati, esiste una certa particolarità. La prolina, come esempio atipico, non possiede un gruppo α-amminico, ma un gruppo iminico, che è integrato nella struttura dell'anello del pirrolidina. La glicina, invece, non ha una catena laterale, in quanto questa è sostituita da un atomo di idrogeno. Ognuno degli amminoacidi menzionati ha una catena laterale non polare, che non è in grado di accettare o donare protoni, né di partecipare alla formazione di legami idrogeno o ionici. La catena laterale è generalmente definita lipofila o idrofoba - non lega l'acqua. Tali catene evitano l'ambiente acquoso aderendo l'una all'altra e orientandosi verso l'interno della molecola proteica. Quando si trovano in un ambiente acquoso, il loro comportamento può essere paragonato a quello delle gocce di olio: si uniscono in gocce più grandi, riducendo così il contatto con l'acqua.

[caption id="attachment_627" align="aligncenter" width="600"] Fig. 2. Amminoacidi con catene laterali non polari.[/caption]

Amminoacidi con catene laterali polari e non cariche

Il gruppo degli amminoacidi con catene laterali polari e non cariche include: Serina, Treonina, Tirosina, Cisteina, Asparagina e Glutammina. Gli amminoacidi elencati hanno una carica netta di zero a pH neutro, tuttavia Cisteina e Tirosina possono perdere un protone a pH basico. Serina, Treonina e Tirosina sono in grado di formare legami idrogeno grazie alla loro gruppo idrossile polare. Anche le catene laterali di Asparagina e Glutammina possono formare legami idrogeno grazie ai loro gruppi carbonilici e ammidici. Il gruppo ammidico dell'Asparagina, così come i gruppi idrossile di Serina e Treonina, possono fungere da siti di legame per componenti zuccherini.

[caption id="attachment_628" align="aligncenter" width="600"] Fig. Amminoacidi con catene laterali polari e non cariche.[/caption]

Amminoacidi con catene laterali acide

[caption id="attachment_629" align="alignleft" width="300"] Fig. 3. Amminoacidi con catene laterali acide.[/caption]

Gli amminoacidi con catene laterali acide includono l'acido aspartico e l'acido glutammico. Nella struttura delle catene laterali di questi amminoacidi sono visibili gruppi carbossilici. In un ambiente a pH neutro, essi subiscono una completa dissociazione, diventando portatori di carica negativa. Le forme completamente ionizzate dell'acido aspartico e dell'acido glutammico vengono chiamate aspartato e glutammato. I nomi trasformati dopo l'ionizzazione indicano che, in un ambiente con un pH fisiologico, si presentano come anioni.

Amminoacidi con catene laterali basiche

[caption id="attachment_618" align="alignright" width="207"] Fig. 4. Amminoacidi con catene laterali basiche.[/caption]

Gli amminoacidi con catene laterali basiche includono: lisina, arginina e istidina. Le catene laterali di questi amminoacidi contengono gruppi capaci di legare protoni. Tra questi gruppi ci sono il gruppo ε-amminico della lisina, il gruppo guanidilico dell'arginina e l'anello imidazolico dell'istidina. A pH fisiologico, i gruppi R della lisina e dell'arginina sono completamente ionizzati, conferendo loro una carica positiva. L'amminoacido libero istidina ha un carattere leggermente basico e si trova in forma neutra a pH fisiologico. Tuttavia, può accadere che l'istidina in una proteina presenti un gruppo R carico positivamente o neutro, a seconda dell'ambiente creato dalla proteina. Questo gioca un ruolo cruciale nel funzionamento di proteine come l'emoglobina.

 Proteine

Caratterizzazione delle proteine

Le proteine, come polimeri condensati di amminoacidi che abbondano nell'organismo umano, sono componenti strutturali fondamentali per il corretto funzionamento dell'organismo. Le proteine composte esclusivamente da residui di amminoacidi sono definite proteine semplici. Le proteine complesse, o proteidi, contengono anche un gruppo prostetico che non è una parte della struttura proteica. Come prodotti di grandi dimensioni, si formano attraverso l'interazione del gruppo α-carbossilico di un amminoacido con il gruppo α-amminico di un altro amminoacido, creando un legame peptidico. I polipeptidi sono proteine con una massa molecolare superiore a 10.000 dalton (Da). Tutte le proteine con una massa molecolare inferiore vengono chiamate oligopeptidi. Ogni proteina è composta da una catena polipeptidica che contiene da 100 a 1000 residui di amminoacidi.

[caption id="attachment_619" align="aligncenter" width="600"] Fig. 5. Struttura generale delle proteine semplici (proteine).[/caption]

Struttura primaria

La struttura primaria della catena polipeptidica di una proteina determina la sequenza (ordine) di collegamento dei residui di amminoacidi nella catena polipeptidica. I singoli amminoacidi sono uniti covalentemente da legami peptidici. Nelle proteine si trovano solo sequenze specifiche di amminoacidi a causa dell'elevata variabilità combinatoria. La disposizione dei residui di amminoacidi lungo la catena polipeptidica non è rigidamente e chiaramente definita.

Gli amminoacidi che presentano catene laterali con ambiente acido o basico, o amminoacidi contenenti anelli aromatici, tendono a raggrupparsi, il che può portare a situazioni in cui più residui di amminoacidi sono vicini tra loro. Per esempio, nella molecola di proteina chiamata emoglobina, è possibile osservare l'importanza della struttura primaria. In questo caso, la sostituzione di un amminoacido con un altro può portare alla formazione di emoglobina patologica. Per comprendere meglio la rilevanza di questa sostituzione, ad esempio, il glutammato nella posizione sei può essere sostituito con un altro amminoacido (valina o lisina), provocando conseguenze biologiche negative. I globuli rossi subiscono una modifica biologica, con un cambiamento nella loro forma a uno stato anomalo. I globuli rossi diventano suscettibili alla emolisi, il che comporta una riduzione del numero di eritrociti nel sangue. I prodotti di degradazione degli eritrociti sono catturati dal fegato e dalla milza, e la concentrazione del pigmento biliare, la bilirubina, aumenta a causa della degradazione dell'emoglobina. Questo processo porta allo sviluppo di una condizione patologica nota come anemia emolitica.

Struttura secondaria

Quando si parla di struttura secondaria, i concetti fondamentali sono configurazione e conformazione. Mentre la configurazione si riferisce ai legami geometrici tra insiemi specifici di atomi, la conformazione riguarda la struttura spaziale della proteina. La configurazione implica cambiamenti nella disposizione degli atomi già legati, ad esempio, la conversione della D-alanina in L-arginina. Questo cambiamento può avvenire rompendo i legami covalenti esistenti e formando nuovi legami. La conformazione, invece, non rompe i legami covalenti, ma riguarda la rottura e la riformazione di forze non covalenti, come i legami idrogeno o le interazioni idrofobiche. Solo alcune conformazioni risultano biologicamente significative. La forma più comune della struttura secondaria delle proteine è l'alfa-elica a forma di spirale. Ogni giro dell'alfa-elica corrisponde a 3,6 residui di amminoacidi. La forma specifica e unica della spirale consente la formazione di legami idrogeno, sia all'interno della catena che tra le sue spirali, con una forza massima grazie alle interazioni elettrostatiche. La struttura dell'alfa-elica, che coinvolge i legami peptidici della catena proteica, consente la formazione di legami idrogeno, eccetto per i legami con i gruppi iminici della prolina. I polipeptidi ottenuti tramite sintesi con amminoacidi L o D formano spontaneamente strutture ad alfa-elica. Tuttavia, i polipeptidi derivati da racemati di amminoacidi o da polimeri di alcuni amminoacidi, come la prolina o l'idrossiprolina, non hanno la capacità di formare spontaneamente questa struttura. Ad esempio, la α-cheratina, presente nei capelli e quasi interamente composta da strutture ad alfa-elica, mentre collagene ed elastina, contenenti prolina e idrossiprolina, non possiedono tale capacità di formare questa struttura.

Un'altra forma di struttura secondaria delle proteine è la struttura β, nota anche come struttura a "foglio pieghettato β". Durante la formazione di questa struttura, partecipano due o più catene proteiche. La formazione può essere parallela (quando i terminali amino e carbossilico delle catene proteiche corrono nella stessa direzione) o antiparallela (quando i terminali sono orientati in direzioni opposte). La catena proteica nella struttura β è più allungata lungo l'asse rispetto a quella dell'alfa-elica e presenta pieghe che cambiano la direzione dell'asse lungo la molecola, permettendo una compatta forma globulare. Le pieghe spesso contengono prolina, glicina e amminoacidi con catene laterali cariche elettricamente.

Struttura terziaria

La struttura terziaria permette di mantenere la struttura secondaria, grazie alla piegatura tridimensionale della molecola proteica. La struttura terziaria è stabilizzata principalmente dalle interazioni tra le catene laterali dei residui di amminoacidi, inclusi i legami covalenti come i ponti disolfuro e i legami non covalenti a bassa energia come i legami idrogeno. In soluzioni acquose, la struttura delle proteine globulari è compatta. Le catene laterali idrofobiche degli amminoacidi sono nascoste all'interno della molecola, mentre i gruppi idrofili si trovano sulla superficie. I gruppi polari, inclusi quelli nascosti all'interno della molecola insieme agli elementi costitutivi dei legami peptidici, permettono la formazione di legami idrogeno e interazioni elettrostatiche. La struttura terziaria si forma solo quando esistono legami che permettono l'unione di residui di amminoacidi lontani tra loro linearmente.

Struttura quaternaria

L'ultima struttura descritta si trova solo in alcune proteine e definisce l'organizzazione spaziale e la composizione subunitaria di una singola molecola proteica. In questo caso, le proteine hanno una massa molecolare elevata e sono costituite da due o più monomeri, cioè catene peptidiche. Di solito, nella struttura quaternaria, gli elementi proteici coinvolti nella sua formazione sono uniti da legami idrogeno a bassa energia. In alcuni casi, la struttura è stabilizzata da ponti disolfuro tra residui di cisteina. Nel collagene e nell'elastina, i legami covalenti tra le subunità sono eccezionalmente stabili. Le proprietà biologiche della struttura quaternaria possono essere modificate da piccole molecole come gli effettori allosterici. La struttura quaternaria della emoglobina e delle proteine enzimatiche, in particolare della lattato deidrogenasi, è ben conosciuta.

Peptidi

Caratteristiche dei peptidi

I peptidi sono composti chimici simili alle proteine, costituiti da amminoacidi. Essi rivestono un'importanza biologica significativa e svolgono ruoli cruciali come ormoni e neurotrasmettitori. I peptidi endogeni agiscono come agenti antimicrobici, costituendo una parte del sistema di difesa dell'organismo. I peptidi naturali e i loro analoghi sintetici sono considerati attraenti per le loro proprietà terapeutiche, grazie al loro alto grado di attività, bassa tossicità e assenza di interazioni con i farmaci. Nella pratica medica, solo alcuni peptidi sono utilizzati a causa della loro instabilità biologica e rapida degradazione. Tuttavia, la sintesi di peptidi consente di ottenere forme più stabili. Analogamente, i peptidi sintetizzati da fonti naturali sono impiegati nella produzione di vaccini.

Un prodotto che deriva dalla reazione tra due amminoacidi è chiamato dipeptide, mantenendo un gruppo amminico libero da un amminoacido e un gruppo carbossilico libero dall'altro amminoacido. I peptidi composti da pochi a diverse decine di amminoacidi sono definiti oligopeptidi, mentre i peptidi più lunghi, con decine di residui di amminoacidi, sono chiamati polipeptidi. La nomenclatura dei peptidi inizia con il nome del residuo di amminoacido all'estremità N-terminale, segue con i nomi degli amminoacidi successivi e termina con il nome dell'amminoacido all'estremità C-terminale. La sequenza degli amminoacidi è scritta utilizzando simboli triletterali o monolettirali. I peptidi si presentano in forma non ramificata e possiedono solo due estremità specifiche: l'estremità amminica, dove si trova un amminoacido con un gruppo α-amminico libero, e l'estremità carbossilica, o C-terminale, dove si trova un amminoacido con un gruppo α-carbossilico libero.

Legame peptidico

Il carbonio, a seguito della reazione tra il gruppo α-carbossilico e il gruppo α-amminico, si lega all'azoto tramite un legame singolo, noto come legame peptidico. Si ritiene che questo legame esista in due forme strutturali, che rimangono in equilibrio reciproco: il legame C-N può convertirsi in C=N e viceversa. La rotazione attorno all'asse C=N non è possibile, rendendo il legame peptidico relativamente rigido e con caratteristiche di un legame doppio. Quando il legame peptidico coinvolge un gruppo iminico di prolina o idrossiprolina e un gruppo carbossilico di un altro amminoacido, si forma una struttura distinta. In questo caso, l'azoto è incorporato nel ciclo pirrolidico e non c'è un sostituente idrogeno, impedendo la rotazione intorno ai legami che si formano in presenza di azoto. Gli amminoacidi coinvolti nella formazione del legame peptidico perdono frammenti di molecole: il gruppo -OH dal gruppo carbossilico e il gruppo -H dal gruppo amminico. Per questo motivo, gli amminoacidi presenti nei peptidi e nelle proteine sono chiamati residui di amminoacidi. I legami peptidici risultanti sono stabili e la loro rottura avviene solo in presenza di forti basi o acidi e a temperature elevate.

[caption id="attachment_625" align="aligncenter" width="600"] Fig. 6. Formazione del legame peptidico.[/caption]

Peptidi biologicamente attivi

Gli ormoni peptidici e gli ormoni proteici sono ampiamente diffusi nell'ambiente che ci circonda e, sebbene in passato fossero considerati forme poco stabili, oggi è possibile sviluppare terapie peptidiche più stabili ed efficaci attraverso la sintesi. È importante gestire la stimolazione ormonale in modo sicuro e mirato.

Un esempio di peptide biologicamente attivo è il glutatione, un tripeptide con una struttura specifica composto da glutammato, cisteina e glicina. Il glutammato si trova come amminoacido N-terminale. La combinazione di glutammato con cisteina è particolare, poiché non include il gruppo α-carbossilico del glutammato, ma il gruppo γ-carbossilico. Il glutatione può esistere in forma ridotta e ossidata; in forma ridotta possiede un gruppo sulfidrile libero, mentre in forma ossidata si forma un ponte disolfuro a causa della rimozione di una coppia di atomi di idrogeno dal gruppo –SH. La capacità di modulazione del glutatione tra le sue forme ridotte e ossidate è cruciale nei processi redox.

Altri esempi includono l'ossitocina e la vasopressina, nanopeptidi prodotti dai neuroni dell'ipotalamo e secreti dal lobo posteriore dell'ipofisi. Questi peptidi differiscono solo per due amminoacidi e cisteina si trova in due posizioni, formando un ponte disolfuro. L'ossitocina stimola la contrazione dell'utero, mentre la vasopressina promuove l'assorbimento di acqua nei tubuli renali e regola la secrezione dell'ormone adrenocorticotropo (ACTH) in situazioni di stress.

Ormone adrenocorticotropo (ACTH)

L'ACTH è un peptide di 39 amminoacidi che si forma dalla degradazione della proopiomelanocortina (POMC), una molecola precursore di altri peptidi attivi. L'ACTH contiene due peptidi: l'ormone α-melanotropico (α-MSH), identico ai primi 13 amminoacidi dell'ACTH, e un peptide dell'ipofisi intermedia simile alla corticotropina-frammento 18-39 ACTH. La funzione principale dell'ACTH è stimolare la corteccia surrenale per la produzione di ormoni steroidei. L'ACTH regola le funzioni della corteccia surrenale a livello delle zone fascicolata e reticolare. L'attività biologica dell'ACTH è attribuita ai primi 18 amminoacidi. La regolazione dell'ACTH avviene tramite la corticotropina (CRH), un ormone dell'ipotalamo che stimola la corticotropina attraverso il cortisolo tramite un feedback negativo. Questo significa che una carenza di cortisolo stimola CRH e ACTH, mentre un eccesso di cortisolo ne inibisce la secrezione. L'ACTH è secreto in modo pulsatile con un picco al mattino e diminuisce durante il giorno. Aumenta in condizioni patologiche come l'insufficienza surrenalica, la malattia di Cushing e la sindrome di Nelson.

Insulina e peptide C

L'insulina e il peptide C sono continuamente secretati dal pancreas. Durante la produzione di insulina, viene generato anche il peptide C. Le cellule pancreatiche producono inizialmente preproinsulina, che viene modificata rimuovendo amminoacidi per formare proinsulina, composta da due catene A e B unite dal peptide C. La proinsulina viene poi scissa per ottenere la forma finale dell'insulina. Quando il glucosio appare nel corpo, il pancreas riceve un segnale per rilasciare le granuli contenenti insulina e peptide C. Il peptide C viene mantenuto nel fegato più a lungo dell'insulina poiché non viene degradato come quest'ultima, ma viene principalmente metabolizzato dai reni. Alte o basse concentrazioni di insulina e peptide C possono indicare lo sviluppo di diabete di tipo I o II e malattie come la sindrome di Cushing. Inoltre, variazioni nei livelli di peptide C possono segnalare insufficienza renale cronica o la presenza di metastasi o recidive tumorali, rendendo cruciale il monitoraggio dei loro livelli.

Motilina

La motilina è un ormone associato ai muscoli lisci dello stomaco e dell'intestino, controllato dalle fibre del nervo vago. È sintetizzata nelle cellule endocrine e, come ormone peptidico composto da 22 amminoacidi disposti in una sequenza specifica, è prodotta dalle cellule dell'intestino tenue. Prodotte dalle cellule endocrine dell'apparato digerente M (Mo), partecipa alla regolazione della motilità gastrointestinale. La motilina è fondamentale nella formazione della fase III del complesso motore migrante (MMC), in cui lo stomaco e l'intestino tenue devono svuotare lo stomaco da residui alimentari e cellule epiteliali desquamate, stimolando i movimenti peristaltici. Inoltre, l'ormone influisce sullo svuotamento della vescica biliare durante il periodo interdigestivo, quando la concentrazione di motilina è massima.

Glucagone

Il glucagone è uno degli ormoni coinvolti nella regolazione dei livelli di glucosio e viene secreto dalle cellule endocrine del pancreas. È un polipeptide composto da 29 amminoacidi, derivato da un precursore di 180 amminoacidi. I cambiamenti nei livelli di glucosio stimolano la secrezione di glucagone. La produzione di glucagone avviene nelle isole pancreatiche, dove dal proglucagone si formano sia il glucagone che il polipeptide pancreatico dipendente dalla glicentina (GRPP). La funzione principale del glucagone è mantenere i livelli normali di glucosio nel siero, soprattutto durante i periodi di digiuno o esercizio fisico. In tali situazioni, il glucagone viene rilasciato dal fegato per fornire protezione all'organismo. Inoltre, può partecipare alla regolazione durante l'assunzione di cibo, influenzando la sensazione di sazietà e potenzialmente inibendo il rilascio di grelina e la peristalsi intestinale.

Ormone della crescita (HGH)

L'ormone della crescita (HGH), noto anche come somatotropina, è prodotto dalle cellule acidofile del lobo anteriore dell'ipofisi. Questo ormone stimola la proliferazione delle cellule in vari tessuti, aumentando il loro numero e dimensioni. L'HGH è composto da 190 amminoacidi in una catena polipeptidica semplice e viene secreto pulsante circa ogni 3-4 ore, con i massimi livelli osservati durante la notte. La secrezione dell'ormone è regolata da ormoni ipotalamici con azioni opposte, tra cui l'ormone che stimola il rilascio dell'ormone della crescita (GN-RH) e l'ormone che ne inibisce il rilascio (SRIF). Il rilascio di somatotropina è regolato anche da neuroormoni come somatoliberina (GHRH), somatostatina (GHIH), ghrelina, glucocorticoidi, acidi grassi, glucosio, insulina e ormoni sessuali. L'HGH regola i processi metabolici, la modulazione della crescita, la stimolazione e la proliferazione cellulare. Il suo effetto è ampio e include la stimolazione della crescita delle ossa lunghe, la sintesi degli acidi nucleici e la regolazione del metabolismo dei carboidrati. L'HGH ha un ampio utilizzo tra gli sportivi per migliorare la forza, costruire muscoli e ridurre gli infortuni durante l'allenamento, stimolando il tessuto connettivo che forma la cartilagine. È importante considerare anche altri fattori, come un'adeguata quantità di sonno e una dieta appropriata, quando si decide di utilizzare l'ormone della crescita.

Conclusioni

Come precedentemente menzionato, amminoacidi, proteine e peptidi sono essenziali per il corretto funzionamento dell'organismo. L'uso appropriato dei peptidi può garantire una terapia sicura ed efficace. Sono raccomandati in quasi tutti i casi e per tutte le persone, soprattutto per gli sportivi per scopi rigenerativi e preventivi. La carenza di ormoni proteici e peptidici può causare gravi disfunzioni nell'organismo.

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