Edizione 2010

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La denaturazione delle proteine

La struttura delle proteine

Le proteine sono polimeri naturali importantissimi, che svolgono un gran numero di diverse funzioni in molti organismi, compreso il corpo umano. Le loro molecole sono costituite da lunghe catene di centinaia di piccole unità tra loro molto simili, gli amminoacidi.

In pratica, ogni molecola può essere paragonata ad una collana che contenga centinaia di perle, ognuna delle quali rappresenta un amminoacido. Nelle proteine si ritrovano una ventina di tipi diversi di "perle", cioè la natura utilizza solo una ventina di amminoacidi per la produzione delle proteine. Nonostante questo, visto che ogni molecola contiene centinaia di unità di amminoacidi, le combinazioni possibili sono molto numerose.

L’esatta sequenza di amminoacidi in una catena proteica si chiama struttura primaria, e per poter svolgere una funzione specifica una proteina deve possedere prima di tutto la giusta struttura primaria. Tuttavia, è necessario che le molecole di proteina abbiano anche la "forma" giusta. In particolare, alcune porzioni della catena proteica possono disporsi ad elica (α-elica) oppure in filamenti a "zig-zag", che poi si affiancano per formare delle strutture piatte (foglietti β). Elementi come questi costituiscono la struttura secondaria delle proteina. Infine, le catene proteiche sono ripiegate su se stesse. Il modo in cui si piegano determina la loro forma finale e rappresenta la loro struttura terziaria. In alcune proteine, dette globulari, la forma finale della molecola è quasi sferica; in altre proteine, dette fibrose, la forma finale della molecola è piuttosto allungata. Infine, alcune proteine formano aggregati, ciascuno dei quali contiene alcune molecole, e questo determina l’eventuale struttura quaternaria. La struttura complessiva di una proteina nel suo ambiente naturale, che le permette di svolgere la sua funzione, si chiama conformazione nativa.
 

La denaturazione

La perdita della conformazione nativa si chiama denaturazione e comporta anche la perdita di funzione della proteina. La denaturazione può essere indotta da un aumento dell’acidità dell’ambiente (cioè una diminuzione del pH, vedi anche Il colore del cavolo rosso) o dall’introduzione di sostanze chimiche estranee, come un alcol o, ancora, da un aumento di temperatura.
Le catene proteiche restano piegate permanentemente e mantengono la configurazione nativa perché si formano interazioni o legami chimici fra parti diverse di una singola catena si formano interazioni con l’ambiente circostante, soprattutto con le molecole di acqua nelle quali le proteine sono normalmente immerse. Le variazioni di temperatura, l’aggiunta di un alcol o una variazione del pH intefreriscono con queste interazioni, per cui le molecole proteiche cambiano forma, perché la conformazione nativa non è più la "forma giusta" per le nuove condizioni ambientali. Si deve comunque tenere presente che proteine diverse possono rispondere in modo differente a queste variazioni.
In seguito alla denaturazione le proteine possono separarsi dall'acqua, formando residui più o meno gelatinosi (per la formazione di gel vedi anche La produzione di gelatine (esperimenti edizione 2008)). Ciò richiede che le molecole proteiche possano avvicinarsi fra loro quando sono ancora in acqua. Questo processo è normalmente impedito dalla repulsione elettrostatica fra le catene proteiche causata dalla presenza di gruppi ionici, positivi o negativi, puntati verso l’esterno della struttura (il principio è simile a quello della repulsione fra micelle di sapone; vedi Il sapone dal burro). Se l’ambiente è abbastanza acido (cioè il pH è basso; vedi anche Il colore del cavolo rosso), la carica elettrica complessiva è positiva; se l’ambiente è abbastanza basico (cioè il pH è alto; vedi anche Il colore del cavolo rosso) essa è negativa. Tuttavia, a pH intermedi , variabili da una proteina all'altra, il numero di cariche positive è uguale a quello delle cariche negative (punto isoelettrico), e quindi la forza di repulsione è ridotta al minimo. In questa situazione l’avvicinamento e l’associazione delle catene proteiche è facilitato. In altre parole, esistono dei valori di pH dell’ambiente in cui si trova la proteina, che possono favorire particolarmente la formazione di gel.
 

Uovo

Durante la cottura delle uova l’albume e il tuorlo addensano. L’addensamento dell’albume, un fluido viscoso trasparente di colore giallino formato per il 90 % da acqua e per il 10 % da proteine, consiste nella sua trasformazione in una gelatina opaca, bianca.
Questi fenomeni sono causati dalla denaturazione delle proteine dell’albume, prevalentemente globulari. Quando la temperatura supera i 62 °C (68 °C per le proteine del tuorlo) le molecole proteiche si srotolano, si legano fra loro e formano un gel. Anche l’aggiunta di alcol all’albume e al tuorlo d’uovo produce la denaturazione delle proteine, con un effetto simile a quello della temperatura. Pertanto per aggiunta di alcol, l’albume e il tuorlo (rotto) di un uovo assumono l’aspetto dell’uovo cotto anche senza riscaldamento.
 

Latte

Le proteine del latte sono di due tipi. Le proteine del siero del latte sono globulari, ma la caseina (la più abbondante; 80 % delle proteine totali del latte) ha una struttura nettamente diversa. Le sue catene proteiche sono formate per la maggior parte da frammenti idrofobici e i pochi frammenti idrofilici derivano dalla presenza amminoacidi modificati dalla presenza di gruppi ionici di carica negativa (fosfati), non appartenenti alla loro struttura originaria (proteine modificate in questo e altri modi si dicono coniugate). Le molecole di caseina sono prive di struttura secondaria e terziaria e formano micelle (un po’ simili a quelle di sapone; vedi anche Il sapone dal burro). In queste micelle le molecole di caseina presentano verso l’esterno i gruppi ionici carichi negativamente, cioè verso l’acqua (il componente principale del latte) con cui gradiscono il contatto.
Il pH naturale del latte è circa 6.7, per cui esso è già leggermente acido (vedi anche Il colore del cavolo rosso), ma il pH del punto isoelettrico della caseina è uguale a 4.6. Questo spiega perché nel latte le micelle mantengono complessivamante una carica negativa. Tuttavia, se il latte inacidisce, come quando si produce lo yoghurt (alcuni batteri trasformano in acido lattico lo zucchero del latte), o si aggiunge un acido il pH scende da 6.7 fino ad arrivare vicino al valore di 4.6. Come detto prima al punto isoelettrico l’aggregazione delle molecole proteiche è particolarmente favorita e la caseina coaugula, separandosi dal latte.
 

Cosa vediamo oggi

L’esperimento proposto è molto semplice. Dopo averne rotto il guscio, si trasferisce un uovo in un bicchiere e si inizia ad aggiungere alcol in piccole quantità, mescolando fino alla completa coagulazione dell’uovo, cioè delle proteine che lo costituiscono. Se si lavora con cautela per mantenere intatto il tuorlo, si riesce prima a denaturare solo le proteine dell’albume e poi anche quelle del tuorlo, rompendolo in un secondo momento. L’uovo coagulato può essere raccolto con un filtro, risciacquato con acqua e strizzato per eliminare l’acqua in eccesso.
Per la coagulazione del latte bisogna dapprima scaldarlo fino a una temperatura di 21 °C, se era conservato in frigorifero. Quindi vi si aggiunge aceto e si mescola per due minuti. Dopo cinque minuti di riposo, le caseine, le più abbondanti proteine del latte, coagulano e si separano sotto forma di pesanti fiocchi bianchi. Il coagulo si separa per filtrazione e si risciacqua nel filtro con acqua fresca. Infine si strizza la caseina e la si lascia ad asciugare per almeno cinque minuti.
 

Per saperne di più…

• http://albumen.stanford.edu/library/c20/messier1991a.html
• http://it.wikipedia.org/wiki/Caseina
• http://www.foodsci.uoguelph.ca/dairyedu/chem.html
• http://www.ilri.org/InfoServ/Webpub/Fulldocs/ILCA_Manual4/Milkchemistry.htm

 

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Avviso importante
Questa scheda è puramente illustrativa. L’Università di Padova avverte che essa non deve essere usata come fonte di informazioni per eseguire o far eseguire gli esperimenti descritti. Chiunque utilizzi le informazioni contenute nella scheda per questo o qualunque altro scopo lo fa sotto la propria, piena ed esclusiva responsabilità. L’Università di Padova non risponde di eventuali errori ed omissioni nelle informazioni riportate nella scheda né di alcuna conseguenza derivante da qualunque tipo di uso di tali informazioni.

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