Modificazioni delle proteine

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Teodora Costantini
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1 Modificazioni delle proteine POST-TRADUZIONALI = avvengono dopo la sintesi proteica CO-TRADUZIONALI = avvengono durante la sintesi proteica Sono modificazioni chimiche della catena polipeptidica ad opera, generalmente (ma non sempre!) di enzimi specifici. Servono a modificare la funzione di una proteina (attivarla, inibirla, regolarla) Sono modificazioni che riguardano le ESTREMITA AMMINO- e CARBOSSI-TERMINALI o/e la CATENA LATERALE di DERMINATI RESIDUI AMMINOACIDICI che si trovano all interno di specifiche sequenze consenso o in particolari motivi strutturali. Tali modificazioni possono essere di natura covalente (ponti disolfuro, Acetilazione, Ossidazioni, Fosforilazioni, Tagli proteolitici, Glicosilazioni..) o non covalente (coniugazioni con metalli o gruppi prostetici attraverso interazioni polari o idrofobiche)

2 Modificazioni post/co-traduzionali possono coesistere nella stessa proteina generando diverse proteoforme con attività differenti. Prenilazione Glicosilazione Ponti disolfuro 2x PDI S Fosforilazione CHINASI O - P=O O - Modificata da James Hougland, Syracuse University, Department of Chemistry

PROCESSO DI MATURAZIONE DELL INSULINA Taglio e rimozione

segnale) Formazione di 3 ponti disolfuro, 2 dei quali

terminale (CATENA A) Taglio e rimozione della porzione di

3 PROCESSO DI MATURAZIONE DELL INSULINA Taglio e rimozione della sequenza N-terminale di 24 residui (peptide segnale) Formazione di 3 ponti disolfuro, 2 dei quali legano la porzione N-terminale (CATENA B) con quella C- terminale (CATENA A) Taglio e rimozione della porzione di catena centrale chiamata peptide C Catena B Catena A Peptide C Peptide C

La glicosilazione è la più comune forma di modificazione GLICOPROTEINE subita dalle proteine e può essere co-traduzionale (N-glicoproteine) o post-traduzionale (O-glico-proteine).

4 La glicosilazione è la più comune forma di modificazione GLICOPROTEINE subita dalle proteine e può essere co-traduzionale (N-glicoproteine) o post-traduzionale (O-glico-proteine). Le glicoproteine svolgono importanti funzioni biologiche in svariati processi cellulari: riconoscimento recettoriale e immunologico, trasporto transmembrana di proteine, infiammazione, coagulazione, patogenicità, metastasi

5 Glicani Possono legarsi alla proteina con un legame O-glcosidico oppure con un legame N-glicosidico H Legame O-glicosidico Legame N-glicosidico

N-GLICOPROTEINE Il primo zucchero è sempre N-Acetilglucosamina

mediante un legame β-n-glicosidico fra il C-1 anomerico dell NAcGlc

1 H 2 O) H 3 N + C=O CH 2 NH-CH-CO-NH-X-Ser/Thr Asn Catena

6 N-GLICOPROTEINE Il primo zucchero è sempre N-Acetilglucosamina (NAcGlc) gli zuccheri sono legati ad un residuo di asparagina (Asn) mediante un legame β-n-glicosidico fra il C-1 anomerico dell NAcGlc e l AZOTO ammidico della catena laterale dell Asn ( viene rilasciata 1 H 2 O) H 3 N + C=O CH 2 NH-CH-CO-NH-X-Ser/Thr Asn Catena polipeptidica COO - L asparagina deve trovarsi in una sequenza consenso: Asn-X-Ser/Thr

O-GLICOPROTEINE il primo zucchero è frequentemente l N-Acetilgalattosamina (NAcGal), ma potrebbe essere anche N- Acetilglucosamina, fucosio, mannosio, galattosio o xilosio.

7 O-GLICOPROTEINE il primo zucchero è frequentemente l N-Acetilgalattosamina (NAcGal), ma potrebbe essere anche N- Acetilglucosamina, fucosio, mannosio, galattosio o xilosio. Gli zuccheri sono generalmente legati ad un residuo di serina (Ser) o treonina (Thr) mediante un legame β-o-glicosidico fra il C1 anomerico della NAcGal e l OSSIGENO ossidrilico della catena R di Ser (o Thr) H 3 N + O CH 2 NH-CH-CO- COO - La serina o la treonina non sono dentro una sequenza consenso, ma sono esposte sulla superficie della proteina

Tutti gli N-glicani hanno lo stesso core pentasaccaridico

pentasaccaridico CORE PENTASACCARIDICO α(1 3) α(1 6) β(1 4)

8 Tutti gli N-glicani hanno lo stesso core pentasaccaridico costituito da 2 N- acetilglucosammine e 3 mannosi, Core pentasaccaridico CORE PENTASACCARIDICO α(1 3) α(1 6) β(1 4) Su 2 di questi mannosi sono caricati da 2 a 4 rami di composizione variabile. Fuc Gal NAcGlc Fuc Gal NAcGlc β(1 4) Man Man Man NAcGlc NAcGlc --- Asn--- Fucosio = 6-deossi α-l-galattosio

9 Una stessa glicoproteina può esistere in diverse isoforme (GLICOFORME), che differiscono per: 1) Numero di siti di glicosilazione occupati 2) Composizione dei glicani nei diversi siti 3) Ramificazione dei glicani 4) Stereoisomeria dei legami glicosidici

11 La struttura di una proteina e ruolo biologico da essa svolto sono strettamente connessi. Alcune funzioni biologiche delle proteine: Catalizzatori = Enzimi Accumulo e trasporto di ossigeno = mioglobina e emoglobina. Sostegno e mantenimento della forma cellulare = collagene, actina Lavoro meccanico = contrazione muscolare, separazione cromosomi nella mitosi, movimento flagelli. Decodificazione dell informazione genetica della cellula, traduzione, regolazione dell espressione genica. Regolazione attività biologiche in cellule e tessuti bersaglio = ormoni, recettori Funzioni di difesa dell organismo = anticorpi, tossine

12 PROTEINE FIBROSE: RUOLO STRUTTURALE Non assumono una struttura terziaria ma presentano una struttura fondamentalmente secondaria e filamentosa che si associano in strutture polimeriche. Esempi: cheratine (α-eliche appaiate con un doppio avvolgimento) >>> capelli, unghie fibroina (foglietti β) >>> fibre della seta collagene (tripla elica) >>> tendini, tessuto connettivo, matrice ossea

α-cheratine: ne esistono vari tipi a seconda del tipo di tessuto che costituiscono (epidermide, unghie, capelli, mucosa, tessuti di sostegno ) Alterazione permanente delle α-

13 α-cheratine: ne esistono vari tipi a seconda del tipo di tessuto che costituiscono (epidermide, unghie, capelli, mucosa, tessuti di sostegno ) Alterazione permanente delle α- cheratine di tipo I dei capelli α-elica Doppia elica di 2 α-eliche α-cheratine Protofilamento: 2 doppie elica accoppiate Filamento: superavvolgimento destrogiro di 4 protofibrille

14 COLLAGENE 25%-35% delle proteine totali dei mammiferi Esistono circa 20 tipi di molecole di collageno diverse.

15 Il collegano è costituito da catene polipeptidiche elicoidali sinistrorse (NON sono α-eliche) con ~3.0 residui per giro e un passo di 0,94 nm (sono più estese di un alfa-elica). Ogni elica possiede ~ 1000 residui. 3 eliche sinistrorse si avvolgono l una all altra in senso destrorso a formare una tripla elica = TROPOCOLLAGENE

Il 60 % della sequenza amminoacidica di ogni elica è costituita da ripetizioni di triplette (3 residui): - Gly-X-Y- X = spesso Prolina Y = spesso 4-idrossi-prolina Frequentemente presenti Lisina e

16 Il 60 % della sequenza amminoacidica di ogni elica è costituita da ripetizioni di triplette (3 residui): - Gly-X-Y- X = spesso Prolina Y = spesso 4-idrossi-prolina Frequentemente presenti Lisina e 5-idrossi-lisina e 3-idrossi-prolina Limitata flessibilità conformazionale, Rigidità Impossibilità a formare α-eliche Nel superavvolgimento i residui di glicina delle 3 eliche sono localizzati lungo l asse centrale della tripla elica (in rosso), dove lo stretto impaccamento non consente la presenza di altri amminoacidi

17 IDROSSILAZIONE ad opera di prolil-idrossilasi e lisil-idrossilasi che utilizzano come cofattore l ac.ascorbico, vengono introdotti gruppi OH sulle catene laterali, che servono a formare legami idrogeno nei punti di contatto delle 3 eliche del tropocollegeno. Carenza di vitamina C = Cattivo assemblaggio della tripla elica (lesioni della pelle, indebolimento vasi sanguigni) >> Scorbuto

18 I residui di lisina e idrossilisina possono essere ossidati sul gruppo ε- amminico della catena R che diventa un gruppo aldeidico LA LISINA DIVENTA ALLISINA LA 5-IDROSSILISINA DIVENTA 5-IDROSSI-ALLISINA LISINA, ALLISINA e 5-IDROSSI-ALLISINA formano LEGAMI CROCIATI covalenti tra elementi di tropocollagene, che stabilizzano fortemente la sua struttura. Il numero dei legami crociati aumenta con l età rendendo i tessuti meno elastici e più fragili.

19 Il collagene è una proteina altamente modificata: - In alcuni casi ponti disolfuro -Idrossilazioni sui residui di prolina e lisina -Ossidazione su residui di lisina -Glicosilazione sui residui di idrossi-lys -Rimozione domini globulari N- teminali e C-terminali (proteolisi) -Legami crociati Focus on collagen: In vitro systems to study fibrogenesis and antifibrosis _ state of the art. Clarice ZC Chen1,2 and Michael Raghunath. 2009, Fibrogenesis & Tissue Repair 2(1):7

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