Una modificazione post traduzionale è la modifica chimica di una proteina in seguito alla sua traduzione. Infatti, a volte, queste proteine hanno bisogno, per svolgere la propria funzione, di essere modificate[1].
Modificazioni post traduzionali sulla molecola di insulina
Ogni proteina è un polipeptide composto da una catena in cui possono essere incorporati (durante la sintesi proteica vera e propria) 20 diversi amminoacidi. Molti di questi amminoacidi possono essere modificati attraverso l'aggiunta di alcuni gruppi funzionali in grado di allargare la funzionalità complessiva della proteina. Un ulteriore tipo di modificazione post-traduzionale è la rimozione di amminoacidi dalla regione N-terminale della proteina attraverso l'azione di una proteasi o anche la degradazione di una proteina in più parti, come l'insulina.
Allo stesso tempo, però, a volte le proteine possono essere prodotte separatamente per poi essere assemblate durante queste modificazioni, come ad esempio l'emoglobina.
Nel corso del tempo sono state identificate un numero notevole di modifiche post-traduzionali. Queste modifiche tendono a creare variazioni a livello delle funzionalità e delle caratteristiche stesse delle proteine, andando sicuramente ad intaccare la loro struttura tridimensionale, la loro attività, la loro localizzazione cellulare e la possibilità di interazioni con altre molecole, infatti una singola proteina può permanere nelle cellule in forme biologiche differenti[2].
La glicosilazione è il processo post-traduzionale più comune e diffuso, infatti è quello che determina la maggior parte delle modifiche proteiche, andando ad ampliare notevolmente il "corredo" proteosomico.[3]
Questa modifica prevede l'aggiunta di zuccheri a livello della catena polipeptidica e può avvenire in zone differenti della cellula, come ad esempio nel RER, ovvero il reticolo endoplasmatico rugoso o nell'apparato del Golgi. Inoltre, alcune di queste modifiche possono essere considerate modifiche co-traduzionali, ovvero che avvengono durante la sintesi della proteina stessa, come nel caso dell'N-glicosilazione.
O-glicosilazione o O-linked: è meno frequente della precente, anche se è quasi sempre sequenziale alla N-glicosilazione. Questa modifica prevede l'aggiunta di monosaccaridi a livello del gruppo idrossilico di serina e treonina. A volte avviene anche a livello di residui di idrossiprolina e di idrossilisina.
Glipiazione: questo tipo di modifica è una glicosilazione di recente scoperta che si riscontra sia a livello di cellule eucariote, sia a livello degli archeobatteri. Questa modifica prevede la formazione di un legame covalente tra la proteina di partenza e il GPI (glicosilfosfatidilinositolo). Questo tipo di glicosilazione è fondamentale, in quanto serve a stabilizzare molecole solubile a livello della membrana plasmatica.
Botulismo e colite pseudomembranosa: queste patologie sono correlate ad una tossina prodotte dal batterio Clostridium. Essa determina la glicosilazione della proteina Rho, fondamentale per l'organizzazione strutturale nelle cellule eucariotiche. Questa proteina è ad attività GTPasica e quindi per funzionare necessita di GTP, ma nel momento in cui il GTP si cerca di legare, ciò non riesce in maniera ottimale, in quanto la modifica ha determinato un'alterazione della struttura di legame.
La fosforilazione è una modifica che consta nell'aggiunta a livello dei gruppi ossidrili di serina, treonina e tirosina di un gruppo fosfato. Questo meccanismo viene sviluppato da un enzima che prende il nome di chinasi. Il processo inverso prende il nome di defosforilazione e viene attuato da un altro enzima che prende il nome di fosfatasi. Questi due processi sono implicati nella modifica funzionale delle proteine, come ad esempio rendendole più inclini alla degradazione.
Illustrazione di tre delle modifiche post-traduzionali: metilazione (in alto), acetilazione (in mezzo), fosforilazione (in basso)
Questo processo però è interessante in quanto, grazie all'azione di un adeguato stimolo, la fosforilazione avviene rapidamente e con un raggio d'azione ampio[3].
L'acetilazione prevede l'aggiunta a livello di una lisina di un gruppo acetile che può derivare da diversi donatori, normalmente l'acetii-Coenzima-A.
Questa forma di modifica è fondamentale a livello istonico, in quanto contribuisce in modo decisivo allo sviluppo e al ripiegamento dei nucleosomi con successiva formazione della cromatina. Inoltre, concorre a regolare l'espressione genica in base alle necessità metaboliche della cellula.[3]
A differenza di altre modifiche, questa presenta una peculiarità, ovvero non è catalizzata da enzimi, ma dipende dalla reattività chimica delle molecole di NO e dell'accettore d'interesse.
La poli ADP-ribosilpolimerasi lega le unità di ADP-ribosio attraverso un legame 1"-2' e successivamente assembla il polimero a livello di residui amminoacidici differenti in base alla proteina bersaglio.
Queste modifiche sono entrambe reversibili: la prima grazie all'azione di ADP-ribosilidrossilasi, mentre la seconda mediante specifiche idrolasi. Questa modifica è fondamentale nei processi di modulazione dell'espressione genica e anche di eventi di riparazione del DNA, di tumorigenesi e di apoptosi.
Un aspetto interessate riguardo a questa modifica post-traduzionale è come possa essere la causa della tossicità e patogenicità di alcuni batteri, come ad esempio il Coeynebacterium diphteriae. La sua pericolosità è dovuta dal fatto che la tossina da esso prodotta ha un'attività ADP-ribosiltransferasi. Questa tossina catalizza la modificazione (ADP-ribosilazione) su un residuo di istidina di un fattore implicato nella fase di allungamento della traduzione, determinando il blocco della sintesi proteica e quindi l'apoptosi cellulare.
La lipidazione incrementa l'idrofobicità delle proteine provocando modifiche alla loro conformazione, stabilità, associazione di membrana, localizzazione, traffico e affinità di legame con i loro cofattori.[5]
Le proteine possono modificare in modo covalente da almeno sette tipi di lipidi:[6]
La proteolisi è stata considerata per molto tempo un processo soltanto degradativo. In realtà oggi è chiaro che si tratta di un processo ubiquitario che rientra nella categoria delle modifiche post-traduzionali delle proteine di tipo irreversibile. Sono molti i processi in cui proteine, enzimi e ormoni vengono attivati all'interno di processi cellulari. Un esempio è quello dell'insulina, peptide responsabile del corretto assorbimento del glucosio.
L'insulina viene prodotta dalle cellule β del pancreas sottoforma di un precursore inattivo, cioè la pre-proinsulina formata da 110 amminoacidi. Quest'ultima mediante la formazione di ponti disolfuro tra i suoi amminoacidi si trasforma in proinsulina, formata da 79 a 86 amminoacidi a seconda della specie animale. Questa catena è composta da tre segmenti:
^(EN) Wang, R. e Chen, Y. Q., Protein Lipidation Types: Current Strategies for Enrichment and Characterization., in International journal of molecular sciences, 2022 Febbraio, PMID35216483.