LE PROTEINE, INFATTI, RAPPRESENTANO UN CLASSE DI MOLECOLE MOLTO

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1 Dr. Davide Barbagallo DIP. SC. BIOMEDICHE, UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA

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3 COSA E UNA PROTEINA? IN REALTA NON SI PUO DEFINIRE UNA SINGOLA PROTEINA. LE PROTEINE, INFATTI, RAPPRESENTANO UN CLASSE DI MOLECOLE MOLTO ETEROGENEA, SIA DA UN PUNTO DI VISTA CHIMICO, SIA DA UN PUNTO DI VISTA FUNZIONALE. COSTITISCONO LA MAGGIOR PARTE DELLA MASSA SECCA DI UNA CELLULA. PER COMPRENDERE COME FUNZIONANO I GENI, COME I MUSCOLI SI CONTRAGGONO, COME I NERVI CONDUCONO ELETTRICITA, COME SI SVILUPPA UN EMBRIONE O COME FUNZIONANO I NOSTRI CORPI, DOBBIAMO RAGGIUNGERE UNA COMPRENSIONE PROFONDA DELLE PROTEINE. L INSIEME DELLE PROTEINE ESPRESSE IN UN BEN DEFINITO MOMENTO TEMPORALE, IN UNO SPECIFICO TIPO CELLULARE O TESSUTO VIENE DEFINITO PROTEOMA.

4 LE PROTEINE SVOLGONO NUMEROSE E SVARIATE FUNZIONI (CLASSE ETEROGENEA DI MACROMOLECOLE ORGANICHE): 1. SOSTEGNO: PROTEINE STRUTTURALI, QUALI COLLAGENO, CHERATINA, ELASTINA, FIBROINA. 2. FATTORI DI TRASCRIZIONE 3. MOVIMENTO: PROTEINE CONTRATTILI, QUALI ACTINA E MIOSINA. 4. TRASPORTO: EMOGLOBINA, MIOGLOBINA, LIPOPROTEINE, ALBUMINA, PROTEINE DI MEMBRANA. 5. CATALISI: TUTTI GLI ENZIMI 6. ORMONI: INSULINA E GLUCAGONE SONO SOLO ALCUNI ESEMPI DI ORMONI DI NATURA PROTEICA. 7. "DIFESA": IMMUNOGLOBULINE (ANTICORPI). 8. "ATTACCO": TOSSINE BATTERICHE, VELENI DEI SERPENTI. 9. RISERVA: NORMALMENTE LE PROTEINE NON HANNO UN RUOLO DI RISERVA DI AMMINOACIDI, MA L'OVOALBUMINA E LA CASEINA SONO ESEMPI DI PROTEINE CON QUESTA FUNZIONE

5 Fenotipo SPECIFICITA DI ALCUNE PROTEINE, PROPRIE DI DETERMINATI FENOTIPI (ES:HB) Proteine costitutive Indispensabili per la sopravvivenza La loro concentrazione deve rimanere costante Proteine adattative Cambiamenti delle condizioni ambientali Produrre risposte metaboliche a specifici segnali Proteine del differenziamento Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni specifiche

6 UNITA DI BASE DELLE PROTEINE L UNITA DI BASE DELLE PROTEINE E L AMINOACIDO (aa.): CARATTERISTICHE PRINCIPALI DI UN aa.: E UNA MOLECOLA CHE PRENDE NOME DAI DUE GRUPPI CHIMICI FUNZIONALI CHE LA CARATTERIZZANO: IL GRUPPO NH2 (AMINICO) ED IL GRUPPO COOH (CARBOSSILICO); IL C (C ALPHA ) E LEGATO A QUATTRO GRUPPI CHIMICI DIVERSI CIA= SCUNO DALL ALTRO, PER TALE MOTIVO QUESTO C E DETTO CHIRALE O STE= REOCENTRO IL GRUPPO R E LA PARTE VARIABILE DELLA MOLECOLA ED E PERTANTO LA PORZIONE PIU CARATTERIZZANTELA (CHIMICAMENTE, STRUTTURALMENTE E FUNZIONALMENTE)

7 QUANTI aa. IN NATURA? IN NATURA CI SONO 20 aa. (+ Pirrolisina e Selenocisteina): Acidi Basici Neutri non polari Neutri polari Il tipo di aminoacidi presenti in una proteina determinerà le caratteristiche chimiche della proteina

8 Aminoacidi essenziali Il nostro organismo non riesce a sintetizzarli e devono essere assunti con la dieta

9 LEGAME PEPTIDICO: LA STRUTTURA PRIMARIA DELLE PROTEINE DUE aa. SI LEGANO TRA LORO ATTRAVERSO UNA REAZIONE DI CONDENSA= ZIONE CHE AVVIENE TRA IL GRUPPO COOH DI UN aa. ED IL GRUPPO -NH2 DEL SUCCESSIVO, IN MODO TALE CHE LA MOLECOLA CHE SI GENERA AVRA LE DUE ESTREMITA DIVERSE: UN ESTREMO CARATTERIZZATO DAL GRUPPO CHIMICO -NH2 (N-TERMINALE) E L ESTREMO OPPOSTO CARATTERIZZATO DAL GRUPPO COOH (C-TERMINALE) PIU aa. POSSONO UNIRSI TRA LORO ATTRAVERSO TALI LEGAMI COVALENTI A FORMARE I PEPTIDI (OLIGO-PEPTIDI, SE FORMATI DA 2 A 50 CA. RESIDUI aa. ; POLI-PEPTIDI, SE FORMATI DA PIU DI 50 aa.). UNA PROTEINA PUO ESSERE COSTITUITA DA UN SOLO POLIPEPTIDE (IN TAL CASO,PER CONVENZIONE, SI FANNO COINCIDERE I TERMINI PROT. E PEPTIDE SE QUEST ULTIMO E COSTITUITO DA UN NUM. DI aa. RILEVANTE IN GENERE DA 60 IN SU-, ALTRIMENTI SI USA SEMPLICEMENTE IL TERMINE PEPTIDE) PRO= TEINA MONOMERICA -, OPPURE DA PIU POLIPEPTIDI LEGATI TRA LORO ATTRA= VERSO LEGAMI NON COVALENTI PROTEINA MULTIMERICA -.

10 LE PROTEINE POSSONO ESSERE CLASSIFICATE COME: 1. SEMPLICI (SOLO aa.) 2. CONIUGATE (aa. + gruppo prostetico di natura non aminoacidica) CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE CONIUGATE Classe Glicoproteine Natura chimica del gruppo prostetico Carboidrati LE PROTEINE CONIUGATE PRIVE DI Lipoproteine Nucleoproteine Emoproteine Metalloproteine Lipidi Ac. Nucleici Gruppo eme Ioni metallici GRUPPO PROSTETICO SONO DETTE APOPROTEINE Fosfoproteine Ac. Fosforico Flavoproteine Nucleotidi flavinici

11 LEGAME PEPTIDICO: LA STRUTTURA PRIMARIA DELLE PROTEINE (continua) LA SEQUENZA DI PIU aa., IN TAL MODO LEGATI A FORMARE UN SINGOLO PEPTIDE, PER CONVENZIONE, VIENE DETTA STRUTTURA PRIMARIA DELLE PROTEINE: QUESTA STRUTTURA E CARATTERIZZATA, DUNQUE, DALLA PRE= SENZA DI SOLI LEGAMI COVALENTI. SI POSSONO DISTINGUERE UNA: PORZIONE (OSSATURA) COSTANTE, RAPPRESENTATA DALLA MERA SUC= CESSIONE DEI LEGAMI PEPTIDICI; UNA PORZIONE VARIABILE, RAPPRESENTATA DAI GRUPPI R CHE SI ALTER= NANO SOPRA E SOTTO IL PIANO COSTITUITO DALL OSSATURA. I LEGAMI PEPTIDICI IN SENSO STRETTO (LEGAMI N-C) SONO PIUTTOSTO RIGIDI; VICEVERSA I LEGAMI αc N E αc C SONO FLESSIBILI.

12 LEGAME PEPTIDICO: LA STRUTTURA PRIMARIA DELLE PROTEINE (continua) NOTA: PER CONVENZIONE UN PEPTIDE VIENE LETTO DALL ESTREMITA N-TERMINALE ALL ESTREMITA C-TERMINALE (QUESTA CONVENZIONE DERIVA DALLA NATURALE SINTESI DEI PEPTIDI CHE SEGUE L ANDAMENTO N-TERMINALE C-TERMINALE). La polarità NH2-COOH delle proteine corrisponde alla polarità 5 3 dell mrna.

13 LA STRUTTURA SECONDARIA DELLE PROTEINE: L α- ELICA ED IL FOGLIETTO β SPESSO IN UN PEPTIDE SI TROVANO DUE SCHEMI REGOLARI DI RIPIEGA= MENTO: L α-elica E IL FOGLIETTO β. ENTRAMBI DERIVANO DALLA FORMAZIONE DI LEGAMI H FRA I GRUPPI N-H E C=O DELL OSSATURA POLIPEPTIDICA, SENZA COINVOLGERE LE CATENE LA= TERALI DEGLI aa.

14 α-elica SI FORMA QUANDO UNA SIGOLA CATENA POLIPEPTIDICA SI AVVOLGE SU SE STESSA PER FORMARE UN CILINDRO RIGIDO: IN PARTICOLARE SI INSTAURA UN LEGAME H FRA UN LEGAME PEPTIDICO E IL QUARTO SUCCESSIVO; SI GENERA COSI UN ELICA REGOLARE DI PASSO UGUALE A 3,6 aa (CIOE 5,4Å). TIPICAMENTE, BREVI REGIONI AD α-elica SONO ABBONDANTI IN PROTEINE POSTE NELLE MEMBRANE CELLULARI (ES.: PROTEINE DI TRASPORTO E RE= CETTORI); IN ALTRE PROTEINE α-eliche SI AVVOLGONO L UNA INTORNO ALL ALTRA PER FORMARE STRUTTURE STABILI NOTE COME COILED-COIL. (ES.: α-cheratina O MIOSINA). α-elica COILED-COIL

15 FOGLIETTO β (O β-sheet) SI FORMANO PER LEGAMI H TRA GRUPPI PEPTIDICI ADIACENTI APPARTE= NENTI A CATENE POLIPETIDICHE DIFFERENTI CHE POSSONO DECORRERE PARALLELE OD ANTI-PARALLELE (PARALLELE SE HANNO LO STESSO ORI= ENTAMENTO N-TERMINALE / C-TERMINALE; ANTIPARALLELE SE UNA DECOR= N-TERMINALE / C-TERMINALE IN DIREZIONE NORD-SUD O EST-OVEST E L ALTRA N-TERMINALE / C-TERMINALE IN DIREZIONE SUD-NORD O OVEST-EST). I FOGLIETTI BETA COSTITUISCONO IL CORE DI MOLTE STRUTTURE PROTEICHE FOGLIETTO β (O β-sheet)

16 Cys STRUTTURE SUPER SECONDARIE, MOTIVI STRUTTURALI Zinc Finger (ZF) Motif Leucine Zipper (LZ) Motif α-elica Leu β-sheet Zn ++ His Helix-turn-Helix (HTH) Motif Elica di riconoscimento Elica di stabilizzazione

17 LA STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE: I DOMINI PROTEICI LA STRUTTURA 3D CHE UN PEPTIDE ASSUME NELLO SPAZIO A SEGUITO DEL SUO AVVOLGIMENTO (FOLDING) DOVUTO A LEGAMI DI TIPO NON COVALENTE (LEGAMI H; INTERAZIONI DI Van Der Waals; INTERAZIONI IDROFOBICHE E PONTI SALINI) CHE SI INSTAURANO TRA GLI ATOMI O GRUPPI ATOMICI DELLA STESSA MOLECOLA E NOTA COME STRUTTURA TERZIARIA. ALL INTERNO DI UNA SIFFATTA MOLECOLA, SI RITROVANO DELLE SOTTO= STRUTTURE (STRUTTURALMENTE E TALORA FUNZIONALMENTE INDIPEND.) NOTE COME DOMINI PROTEICI. I DOMINI PROTEICI SONO DUNQUE SOTTOSTRUTTURE PRODOTTE DA QUALUNQUE PARTE DELLA CATENA POLIPEPTIDICA IN GRADO DI RIPIEGARSI INDIPENDENTEMENTE IN UNA STRUTTURA COMPATTA STABILE. UN DOMINIO IN GENERE CONSTA DAI 40 AI 350 aa. CARATTESTICI SPESSO DELLE PROTEINE SONO I MODULI, CIOE DEI DOMINI PICCOLI ( aa.) CHE COSTITUISCONO DELLE SIGNATURE NELLE PROTEINE E CHE SPESSO SI RICOMBINANO TRA LORO A FORMARE STRUTTURE NUOVE.

18 LA STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE: I DOMINI PROTEICI (continua) STRUTT. III DOMAINS DOMAIN - SHUFFLING NOTA: MOLTE GRANDI PROTEINE SI SONO EVOLUTE PER UNIONE DI DOMINI PREESISTENTI CHE SI SONO COMBINATI IN MODI DIFFERENTI (RIMESCOLAMENTO DEI DOMINI).

19 I principali tipi di legame che si trovano all interno di una struttura terziaria di una proteina: 1) Legami H 2) Legami ionici 3) Legami covalenti (ponti disolfuro)

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21 Ponti disolfuro

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24 La posizione di ciascun aminoacido all interno della sequenza ne determina la forma tridimensionale. Quindi la forma che la proteina assume dipende dalla sequenza di aminoacidi che costituiscono la proteina

25 La struttura tridimensionale della proteina è determinata dalla formazione di legami deboli tra le catene laterali dei vari aminoacidi. Legami idrogeno Legami ionici Attrazioni di van derwalls Interazioni idrofobiche

26 Ciascuna proteina si ripiega normalmente in un unica conformazione stabile che in genere è quella in cui è minima l energia libera. Tuttavia la conformazione può cambiare leggermente quando la proteina interagisce con altre molecole della cellula. Questo cambiamento di forma è spesso cruciale per l attività della proteina

27 LA STRUTTURA QUATERNARIA DELLE PROTEINE: LE PROTEINE MULTIMERICHE SPESSO LE PROTEINE CONSTANO DI PIU SUBUNITA PEPTIDICHE (CIASCUNA GIA RIPIEGATA NELLA SUA STRUTTURA 3D) CHE INTERAGISCONO TRA LORO TRAMITE LEGAMI NON COVALENTI (LEGAMI H ED INTERAZIONI IDROFOBICHE PRINCIPALMENTE) A FORMARE UN UNICA STRUTTURA FUNZIONALE: LA PROTEINA AVENTE STRUTTURA QUATERNARIA. Es.:PROTEINA EMOGLOBINA

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29 RIASSUMENDO: I LIVELLI DI STRUTTURA DELLE PROTEINE

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31 FOLDING PER POTER SVOLGERE LA PROPRIA FUNZIONE BIOLOGICA, UNA PROTEINA DEVE ESSERE STRUTTURATA NELLA COSIDDETTA CONFORMAZIONE NATIVA. LA CONFORMAZIONE NATIVA È QUELLA STRUTTURA 3D STABILE E FUNZIONALE, CARATTERIZZATA DA UN MINIMO DI ENERGIA POTENZIALE E DA QUELLA PARTICOLARE CONFORMAZIONE, UNICA, CHE CONSENTE ALLA PROTEINA DI SVOLGERE ADEGUATAMENTE LA FUNZIONE A CUI È DEPUTA. IL PROCESSO CHE DALLA BIOSINTESI DEL PEPTIDE, PORTA ALLA PROTEINA STRUTTURATA NELLA FORMA NATIVA, BIOLOGICAMENTE ATTIVA, PRENDE IL NOME DI "FOLDING".

32 IMPORTANZA DEL FOLDING IN BIO-MEDICINA È MOLTO PROBABILE CHE PATOLOGIE QUALI L'ALZHEIMER, LA FIBROSI CISTICA E IL MORBO DELLA MUCCA PAZZA (SINDROME DI CREUTZFELDT-JAKOB NELL'UOMO) ABBIANO UNA ETIOLOGIA COMUNE IN UN DIFETTOSO FOLDING DI ALCUNE PROTEINE, CON CONSEGUENTE AGGREGAZIONE E PRECIPITAZIONE E SUCCESSIVA MORTE CELLULARE.

33 La variazione di un singolo aminoacido può provocare gravi effetti sul fenotipo dell organismo

34 Regolazione dell attività di una proteina Livello trascrizionale Modificazioni chimiche di una proteina

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36 DIAGRAMMA DI FLUSSO DELL ESPRESSIONE GENICA mirna Nuclear phase Choise and Transcription of specific genes RNA Maturation Nucleus-Cytoplasm transfer Cytoplasmatic phase Protein Synthesis Post-translationaltranslational modifications Protein travelling

37 REGOLAZIONE ALLOSTERICA LEGAME CHIMICO DEBOLE (SOPRATTUTTO LEGAMI H) TRA EFFETTORE ALLOSTERICO E PROTEINA ALLOSTERICA E PROPRIA SOPRATTUTTO (MA NON ESCLUSIVAMENTE) DEGLI ENZIMI. IN GENERALE COMUNQUE LE PROTEINE ALLOSTERICHE SONO PROTEINE OLIGOMERICHE (A STRUTTURA QUATERNARIA)

38 REGOLAZIONE PER MODIFICAZIONI POST-TRADUZIONALITRADUZIONALI Type of modification (group added) Target amino acids Comments Phosphorylation (PO 4- ) Tyrosine, serine, threonine Achieved by specific kinases. May be reversed by phosphatases Methylation (CH 3 ) Lysine Achieved by methylases and undone by demethylases Hydroxylation (OH) Proline, lysine, aspartic acid Hydroxyproline and hydroxylysine are particularly common in collagens Acetylation (CH 3 CO) Lysine Achieved by an acetylase and undone by deacetylase Carboxylation (COOH) Glutamate Achieved by γ-carboxylase N-glycosylation (complex carbohydrate) O-glycosylation (complex carbohydrate) Asparagine, usually in the sequence: Asn-X-Ser/Thr Serine, threonine, hydroxylysine Takes place initially in the endoplasmic reticulum; X is any amino acid other than proline Takes place in the Golgi apparatus; less common than N-glycosylation GPI (glycolipid) Aspartate at C terminus Serves to anchor protein to outer layer of plasma membrane Myristoylation (C 14 fatty acyl group) Glycine at N terminus (see text) Serves as membrane anchor Palmitoylation (C 16 fatty acyl group) Cysteine to form S-palmitoyl link. Serves as membrane anchor Farnesylation (C 15 prenyl group) Cysteine at C terminus (see text) Serves as membrane anchor Geranylgeranylation (C 20 prenyl group) Cysteine at C terminus (see text) Serves as membrane anchor

39 ESEMPI DI REGOLAZIONI POST-TRADUZIONALI TRADUZIONALI Solitamente Gli aa. inte= ressati dalla modifica sono Thr; Tyr e Ser

40 NOTA: Chinasi e Fosfatasi sono spesso degli enzimi allosterici, sicchè la loro attività risulta essere regolata da specifici effettori. Ciò evita che la loro attività avvenga contemporaneamente all interno della cellula!