STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE

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1 STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE

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3 PROTEINE Forma e funzione Stretta correlazione fra forma e funzione delle proteine È la conformazione tridimensionale che conferisce alla proteina l'attività biologica specifica

4 Le proteine di sostegno e alcune di quelle contrattili hanno una forma fibrosa Sono costituite da catene polipeptidiche allungate, disposte in fasci lungo uno stesso asse a costituire le fibre Sono insolubili in acqua Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di trasporto hanno invece una forma globulare Le catene sono strettamente avvolte in forma compatta, sferica o globulare, come un gomitolo Sono solubili in acqua

5 La struttura delle proteine ne determina la funzione Le proteine costituiscono il 40-70% del peso secco di una cellula Le proteine sono singole catene, non ramificate di monomeri amino acidici Nell organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo 20 che compongono le proteine. Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti contemporaneamente La sequenza degli amino acidi di una proteina ne determina la sua struttura tridimensionale (conformazione) A sua volta, la struttura di una proteina ne determina la funzione

6 Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce per il gruppo R

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8 Quattro livelli di struttura determinano la forma di una proteina alfa Beta Primaria: la sequenza lineare degli amino acidi Secondaria: l organizzazione di parti di una catena polipeptidica (esempio: l α elica o il foglietto β) Terziaria: la struttura tridimensionale completa di una catena polipeptidica Quaternaria: l associazione di due o più polipeptidi in una struttura complessa multi-subunità

9 La caratteristica distintiva di ogni proteina è la particolare sequenza di aminoacidi Il dogma centrale della genetica

10 FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO

11 I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari

12 Delocalizzazione degli e - Le parziali caratteristiche di doppio legame impediscono la libera rotazione attorno al legame peptidico, C-N, che costituisce così un punto di rigidità della catena polipeptidica

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14 LEGAME PEPTIDICO: C N = nm C N = nm C = N = nm

15 Ogni piano delle unità peptidiche ha due rotazioni possibili: una intorno al legame Cα-C' (angolo di rotazione Ψ, psi), ed una intorno al legame N-Cα (angolo di rotazione φ, phi). La configurazione preferenziale del gruppo peptidico è quella in cui i due Cα sono in posizione trans, in modo che i gruppi R consecutivi sono alla massima distanza l'uno dall'altro (minor ingombro sterico).

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17 N-Carbonio α (Φ) (psi); Carbonio α Carbonio Carbonilico (ψ) (fi) Un'ulteriore conseguenza della risonanza che interessa il legame peptidico è che gli atomi che compongono il cosiddetto gruppo peptidico (i due atomi, C ed N, del legame stesso e i 4 atomi ad essi legati: O, H e i due carboni α) giacciono tutti su uno stesso piano (legame rigido e planare). Lo scheletro di una catena polipeptidica può essere rappresentato come una serie di piani rigidi

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19 Peptidi e proteine Sono polimeri lineari di 20 tipi di monomeri Peptidi: polimeri più piccoli (5.000 Dalton) Di-, tripeptidi (2, 3 aa) Oligopeptidi (< 10 aa) Polipeptidi (> 10 aa) Proteine: polimeri più lunghi ( aa) con una struttura definita.

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22 Legami caratterizzanti: ponte di H

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27 Una comune struttura secondaria Proprietà dell alfa-elica: Resistenza e solubilità in acqua Proposta nel 1951 da Pauling e Corey

28 Ogni idrogeno ammidico è coinvolto in un legame idrogeno con il carbonile di un altro amminoacido

29 Le principali strutture secondarie di una catena polipetidica: α elica MODELLO A PALLE E BASTONCINI a) Elica destrorsa, b) Si evidenziano i legami idrogeno c) Il passo dell elica è 5.4 Å o 3.6 residui amminoacidici

30 Strutture secondarie: l α elica MODELLO A NASTRO

31 Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei legami ad idrogeno, ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet) Legame a H Filamento β Filamento β

32 Ad esempio la seta. Le proteine della seta sono un esempio di foglietto pieghettato Sono composte principalmente da glicina e alanina

33 il foglietto β

34 Filamento β: conformazione ripetitiva, lo scheletro della proteina è disposto a zig-zag. Ogni filamento si dispone affianco all altro formando un foglietto pieghettato mantenuto da legami a H tra regioni adiacenti o molto lontane della stessa catena o di catene differenti. I gruppi R sporgono verso l esterno. I filamenti possono avere la stessa direzione (paralleli) o opposte (antiparalleli). La struttura è identica, solo il periodo è differente 6.5 rispetto a 7 A.

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40 Come si orientano i legami negli amminoacidi? alfa elica Guardate i carbonili! Nell alfa elica sono alternati, mentre nei foglietti pieghettati puntano nella stessa direzione

41 Le strutture secondarie sono preferite Le strutture secondarie consentono, infatti, l'instaurarsi del maggior numero di legami a H tra i gruppi dello scheletro polipeptidico ed impediscono a quest'ultimo di interagire con l'ambiente acquoso

42 ORIGINE DELLA STRUTTURA TERZIARIA

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44 L'effetto idrofobico è la forza motrice del ripiegamento di una proteina e ne

45 Le strutture terziarie sono sempre compatte La superficie delle proteine è polare mentre l'interno è prevalentemente apolare

46 L'avvolgimento della catena deve essere tale da esporre sempre al solvente acquoso le catene laterali idrofile. Catene laterali cariche possono trovarsi all interno di una proteina solo se la loro carica netta viene neutralizzata.

47 Legami responsabili della struttura terziaria Forze di Wan der Waals Legami a H Legami ionici Legami S-S 1-2 Kcal/mole 3-7 Kcal/mole 5 Kcal/mole 50 Kcal/mole

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53 Catene polipeptidiche con più di 200 residui presentano 2 o più zone ( residui) a struttura globulare e compatta, congiunte da segmenti di catena relativamente flessibili. Queste strutture si definiscono

54 Un dominio può essere separato mediante idrolisi controllata, dal resto della catena polipeptidica. Il domino può riassumere nuovamente la struttura e spesso anche la funzione che aveva quando era unita al resto della catena polipeptidica.

55 Nel 1974 è stato scoperto il ripiegamento di Rosman, uno dei domini più ampiamente distribuito, formato da 70 residui con una super struttura secondaria del tipo βαβαβ. E presente in numerose proteine enzimatiche, anche a struttura molto diversa, ma che hanno in comune la funzione di legare un coenzima nucleotidico (NAD ).

56 ripiegamento di Rosman

57 ripiegamento di Rosman

58 E' stata avanzata l'ipotesi che questo dominio sia quello che resta di una primitiva proteina di epoche precellulari. Tutti gli organismi viventi discendono da pochi progenitori, così la grande maggioranza delle proteine deve essere derivata da un numero ristretto di archetipi

59 I genomi eucariotici sono costruiti in modo da facilitare la riorganizzazione occasionale di sequenze di DNA atte a creare un gene che codifichi per nuove combinazioni di domini proteici

60 La struttura terziaria di una proteina globulare costituita da più domini é la conseguenza della organizzazione dei vari domini e di tratti di struttura secondaria che li congiungono.

61 Proteine che possiedono piu' siti di legame per ligandi distinti spesso presentano questi siti di legame localizzati su diversi domini. Domini diversi in proteine multifunzionali possono svolgere funzioni diverse. I vari domini presenti su una proteina mostrano talvolta spostamenti reciproci relativi, collegati all'attività della proteina. (Es. Esochinasi)

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67 Nelle cellule le proteine si sintetizzano ad una velocità molto elevata. Le cellule di E.Coli producono una molecola proteica biologicamente attiva contenente 100 residui aminoacidici in 5 sec a 37.

68 COME FANNO LE PROTEINE AD AVVOLGERSI NEL TEMPO DI POCHI SECONDI?

69 Supponiamo che ciascuno dei 2 angoli di torsione, φ ψ, di una proteina con n residui possa assumere 3 conformazioni stabili, le conformazioni possibili per questa proteina saranno 3 2n circa 10 n Se la proteina può esplorare una conformazione ogni secondi Il tempo in sec necessario per esplorare tutte le conformazioni possibili sarà t = 10 n / Per n= 100 t = ( 20 miliardi di anni!)

70 Le proteine non ricercano casualmente la conformazione nativa fra le molte possibili si ripiegano seguendo vie dirette

71 PICCOLI TRATTI DI STRUTTURA SECONDARIA SERVONO DA MEDIATORI DEL PROCESSO DI AVVOLGIMENTO.

72 LA FORMAZIONE DI CORTI SEGMENTI DI STRUTTURA SECONDARIA È MOLTO VELOCE.

73 Questi piccoli tratti (circa 15 residui) si stabilizzano formando dei complessi (es 2α, 2β, αβ) che si chiamano unità di avvolgimento. Intorno a questi centri si stabilizzano poi altri tratti di struttura secondaria

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75 L'avvolgimento spontaneo delle catene polipeptidiche nella loro corretta struttura terziaria è un processo altamente cooperativo, in cui la formazione di piccoli elementi accelera la produzione di altri più grandi

76 Il processo di ripiegamento di una proteina procede da uno stato ad alta energia ed alta entropia ad uno a bassa energia e bassa entropia

77 Il processo di avvolgimento delle proteine può essere accelerato dall enzima proteina disolfuro isomerasi

78 PDI ossidata Proteina disolfuro isomerasi PDI ridotta Proteina ridotta Disolfuro misto Proteina ossidata (nativa)

79 PDI ridotta Ponti S-S non nativi Disolfuro misto Ponti S-S nativi

80 Per alcune proteine a tale processo partecipano gli chaperoni molecolari che : contribuiscono al corretto avvolgimento di una proteina nascente consentono alle proteine ripiegate in modo non corretto di raggiungere la conformazione nativa

81 Esistono due classi di chaperoni molecolari : la famiglia Hsp70 e le chaperonine (Hps60 o GroEL ed o Hsp10 GroES )

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84 Le chaperonine sono costituite da due tipi di proteine HP60 (GroEL) e HP10 (GroES) GroEL 14 subunità identiche (549 aa) disposte in due anelli sovrapposti (7+7) GroES 7 subunità identiche (97aa) formano un anello eptamerico

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86 Le proteine con peso molecolare superiore a sono OLIGOMERICHE Sono costituite cioè da più catene polipeptidiche PROTOMERI O SUBUNITÀ

87 Le proteine oligomeriche presentano un ulteriore livello di organizzazione srutturale la struttura quaternaria LA STRUTTURA QUATERNARIA descrive il modo in cui le singole catene polipeptidiche sono disposte l'una rispetto all'altra.

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89 Vantaggi della struttura quaternaria Risparmio di DNA Minimizzazione degli errori casuali durante la biosintesi proteica Presenza di interazioni allosteriche

90 Per la sintesi di una catena polipeptidica di 4000 residui aminoacidici è necessario un gene che contenga almeno 4OOO x 3 = basi azotate. Per la sintesi di 2O copie di una stessa catena polipeptidica di 200 residui è sufficiente un gene che contenga solo 200 x 3 = 600 basi

91 LA GLICERALDEIDE-3-FOSFATO DEIDROGENASI È COSTITUITA DA 4 SUBUNITÀ IDENTICHE DI 330 RESIDUI (330 X 3 = 990 NUCLEOTIDI) SE LA PROTEINA CONSISTESSE IN 1 CATENA DI (330 X 4) 1320 RESIDUI OCCORREREBBE UN GENE DI 3 X 1320=3960 NUCLEOTIDI.

92 La Ferritina ha un peso molecolare di circa daltons. Non è costituita da una sola catena polipeptidica di 4000 a.a. ma di 20 catene identiche di circa 200 residui ciascuna.

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95 Generalmente nella formazione delle proteine oligomeriche le subunità difettose sono scartate.

96 LA STRUTTURA QUATERNARIA DI UNA PROTEINA PUÒ SUBIRE MODIFICHE CONFORMAZIONALI REVERSIBILI AD OPERA DI LIGANDI, DEFINITI EFFETTORI ALLOSTERICI. LE MODIFICHE CONFORMAZIONALI POSSONO ALTERARE LA FUNZIONE DI UNA PROTEINA, REALIZZANDO IN TAL MODO UN IMPORTANTE MECCANISMO DI CONTROLLO DELLA SUA ATTIVITÀ BIOLOGICA.

97 La struttura quaternaria delle proteine La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da 2 o più catene polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine regolatrici). E possibile classificare le proteine in due gruppi: Proteine fibrose con catene disposte in lunghi fasci o foglietti e Proteine globulari con catene polipeptidiche ripiegate a formare forme globulari o sferiche Esempio: la emoglobina Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni nell attività catalitica Biofisica

98 La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla conformazione della catena polipeptidica. La struttura quaternaria è l organizzazione di polipeptidi in un unica unità funzionale che consiste di più di una subunità polipeptidica.

99 L informazione per il folding della proteina è contenuta nella sequenza

100 Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono la struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica. Il processo è reversibile

101 Le chaperonine assistono le proteine nella fase di folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati.

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103 Molte malattie sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme amiloidi): Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II. In altri casi mutazioni puntiformi generano proteine che non raggiungono la loro locazione finale o che non sono più in grado di svolgere la loro funzione perché incapaci di legare i loro substrati. La fibrosi cistica è un difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: 1480 amminoacidi). La mutazione più comune è la delezione di un amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si avvolge correttamente.

104 Proteine conformate in modo aberrante sono implicate nello sviluppo di patologie Una placca amiloide nella malattia di Alzheimer è un agglomerato di filamenti proteici

105 Comparazione sequenze Hum αglobina: Bovis: Pig: mvlspadktn vkaawgkvga hageygaeal mvlsaadkgn vkaawgkvgg haaeygaeal vlsaadkan vkaawgkvgg qagahgaeal ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg kkvadaltna vahvddmpna ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg akvaaaltka vehlddlpga ermflgfptt ktyfphfnls hgsdqvkahg kvadaltka vghlddlpga lsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahlpaeftp avhasldkfl lselsdlhah klrvdpvnfk llshsllvtl ashlpsdftp avhasldkfl lsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahhpddfnp svhasldkfl asvstvltsk yr anvstvltsk yr anvstvltsk yr

106 L omologia delle sequenze suggerisce relazioni funzionali ed evolutive tra le proteine

107 I peptidi ed i polipeptidi biologicamente attivi hanno dimensioni molto variabili (diverso numero di aminoacidi, diversa composizione, diversa sequenza) es. - Insulina con le sue due catene: alfa (21aa) e beta (30aa). - Glucagone (29 aa), - Somatostatina (14, 28aa) - Ossitocina (9 aa) - Vasopressina (9aa) - Glutatione (3aa)

108 L'insulina è costituita da due catene polipeptidiche (α più piccola di 21 aa e β più grande di 30 aa), tenute insieme da ponti disolfuro che si formano tra le cisteine 7 e 20 della catena α e le cisteine 7 e 19 della catena β. L'insulina viene prodotta a partire dalla proinsulina tramite taglio proteolitico di un peptide di congiunzione di 33 aa. Questo peptide è chiamato peptide C, mentre l'enzima responsabile del taglio proteolitico è detto endopeptidasi 33aa 21aa * * * * 30aa

109 Alcuni ricercatori notarono che nell'insulina umana sono presenti delle regioni variabili, in particolare la sequenza degli aminoacidi n 28 e 29 (P ro-lys) della catena β; successivamente si scoprì che invertendo tali aa. l'insulina passava direttamente allo stato monomerico, saltando quello dimerico. Nacque così la "Lys Pro" o "insulina rapida", un farmaco particolarmente utile se iniettato in prossimità di un pasto abbondante.

110 Il GLUCAGONE secreto dalle cellule β del pancreas regola il metabolismo nella fase di digiuno. Viene prodotto come pro-ormone (PM18000), e convertito in Glucagone a 29aa (PM 3500) dopo tagli proteolitici. Scoperto nel 1923, due anni dopo l insulina, la sua sequenza fu definita nel 56. La sua sequenza è mantenuta tra le specie, questo lo rende poco immunogeno. Non ha cisteine e ponti disolfuro, perciò è più resistente alla denaturazione alcalina. Mobilizza le riserve energetiche in risposta all ipoglicemia e al digiuno prolungato.

111 La somatostatina viene prodotta: a livello ipotalamico, dal sistema nervoso periferico, pancreatico e nel tratto gastrointestinale. Influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione ghiandolare, la contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellulare. Nei mammiferi è codificata da un unico gene Pre-pro pro-somatostatina 116 aa.(24aa N-terminali, peptide segnale). Pro-somatostatina 92 aa. Nei mammiferi il proormone processato ad entrambe le estremità N- e C-terminale Somatostatina-14 (SS-14) Somatostatina-28 (SS-28)

112 ossitocina,: nonapeptide secreto dalla neuroipofisi, implicato nella contrattilità della muscolatura uterina nel parto e nella eiezione del latte durante l allattamento, è implicato anche nei comportamenti sociali, sessuali e materni. Gly-Leu-Pro-Cys-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr

113 La vasopressina, ormone antidiuretico (ADH) o diuretina, di natura peptidica secreta dall'ipofisi posteriore, ma prodotta a livello ipotalamico. La vasopressina gioca un ruolo importante nella regolazione del volume plasmatico, contribuisce a mantenere costante la parte liquida del sangue, plasma. Favorisce, infatti, il riassorbimento di acqua a livello renale (più precisamente nei tubuli distali e nei dotti collettori dei nefroni), opponendosi alla produzione di urina (o diuresi); da qui il nome antidiuretico. Più il suo livello è alto e minore sarà la produzione di urina e viceversa. In assenza di vasopressina, malattia nota come diabete insipido, il soggetto elimina 18 litri di urina al giorno e, di conseguenza, è costretto ad assumere almeno 20 litri di liquidi con la dieta. Se l'aggettivo "antidiuretico" esprime in modo chiaro l'azione fisiologica di questo ormone, altrettanto si può dire del sinonimo "vasopressina". L'ADH, infatti, possiede una seconda, importante, azione, legata alla sua capacità vasocostrittrice. Diminuendo il calibro delle arteriole, la vasopressina è infatti capace di aumentare la pressione arteriosa, anche in maniera sensibile quando è secreta in quantità elevate. Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly S-S

114 Il glutatione è una combinazione dei tre aminoacidi (tripeptide) cisteina, acido glutammico e glicina. γ-l-glutammil-l-cisteinil-glicina AGISCE: Contro i radicali liberi o molecole come perossido di idrogeno, nitriti, nitrati, benzoati e altre. Svolge un'importante azione nel globulo rosso, proteggendo tali cellule da pericoli ossidativi che causerebbero l emolisi. Elemento importante per il suo funzionamento è il NADPH,(derivato dalla vitamina PP ac. Nicotinico e coenzima della Glutatione reduttasi). L E. rigenera il Glutatione ossidato (GSSG) mediante gli e- ceduti dal NADPH con produzione di Glutatione ridotto (GSH) e NADP Nei soggetti favici l'assenza dell enzima glucosio-6-p-deidrogenasi (G6PD) porta ad una minor produzione di NADPH; le fave contengono sostanze ossidanti che portano in queste persone all'emolisi, in quanto il glutatione non possiede abbastanza potere riducente da poter contrastare il danno ossidativo di tali sostanze.

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116 I peptidi ed i polipeptidi biologicamente attivi hanno dimensioni molto variabili (diverso numero di aminoacidi, diversa composizione, diversa sequenza es. - Ossitocina (9 aa) - Glucagone (29 aa) - Titina (~27000 aa)

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118 La somatostatina viene prodotta: a livello ipotalamico, dal sistema nervoso periferico, pancreatico e nel tratto gastrointestinale. Influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione ghiandolare, la contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellulare. Nei mammiferi è codificata da un unico gene e sintetizzata come parte di un precursore più grande, la pre-pro pro-somatostatina, lungo 116 amminoacidi, caratterizzato all'estremità N-terminale da un peptide segnale di 24 residui. Il precursore è rapidamente trasformato in un peptide lungo 92 amminoacidi, la pro-somatostatina. Nei mammiferi il proormone processato ad entrambe le estremità N- e C-terminale dà due prodotti biologicamente attivi, la somatostatina-14 (SS-14) e la somatostatina-28 (SS-28)

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