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1 Proteine semplici costituite dai soli amminoacidi Proteine coniugate costituite dagli amminoacidi + porzioni di natura non amminoacidica dette GRUPPI PROSTETICI Le Proteine coniugate prive del gruppo prostetico vengono dette APOPROTEINE Glicoproteine - zuccheri Lipoproteine - lipidi Emoproteine gruppo eme Metalloproteine ioni metallici Nucleoproteine acidi nucleici

2 Struttura chimica delle proteine Ciascuna proteina è un polimero (eteropolimero lineare)costituito da una serie di componenti di base, gli aminoacidi legati tra loro (Monomeri) Esistono circa 20 diversi aminoacidi legati tra loro con un legame (che si chiama legame peptidico) Ciascuna proteina e costituita da un numero variabile di aminoacidi. Sono praticamente gli stessi in tutti i viventi MAGIC TWENTY Le più piccole sono costituite da pochi aminoacidi (in reltà quelle più piccole vengono chiamate polipeptidi) Le più grandi possono essere costituite anche da aminoacidi Gli aminoacidi sono i monomeri costituenti le proteine Gruppo Amminico 2 H La struttura generale di un AA consiste in un atomo di C chirale il quale forma 4 legami con: un gruppo amminico (-NH 2 ) un gruppo carbossilico (-COOH) un atomo di idrogeno (-H) un gruppo indicato con R che rappresenta uno dei 20 gruppi laterali che caratterizzano gli AA Le proteine sono costituite da 20 aminoacidi diversi, caratterizzate da diversi gruppi R. Gruppo Carbossilico

3 Gli AA in soluzioni acquose neutre (anche nelle cellule) si trovano come ioni dipolari; il gruppo carbossilico (acido) libera H + mentre il gruppo amminico (basico) lega H +, per cui nel complesso la molecola presenta due parti con cariche opposte (carica totale neutra): ZWITTERIONE Se disciolto in acqua può comportarsi sia come una base (accettore di protoni): H + +H 3 N + CH(R)COO - H 3 N + CH(R) COOH sia come un acido (donatore di protoni): H 3 N + CH(R)COO - H + + H 2 N CH(R) COO - Le sostanze che possiedono questa proprietà sono ANFOTERE e vengono dette: ANFOLITI (elettroliti anfoteri) Le proteine sono ANFOTERE e avendo aa con residui basici o acidi diversi (che avranno diversa tendenza a dissociarsi a seconda della loro natura e dell ambiente in cui si trovano), per ognuna di esse esisterà un diverso valore di ph al quale il numero dei gruppi basici dissociati come cationi sarà uguale al numero dei gruppi acidi dissociati come anioni (cariche + e cariche - si annullano) la carica elettrica totale della proteina sarà = a zero. Questo valore di ph è detto PUNTO ISOELETTRICO della proteina (Isoelectrofocusing-Elettroforesi)

4 I venti aminoacidi differiscono tra loro in quanto: I residui sono carichi oppure elettricamente neutri I primi possono avere carica positiva o negativa Alcuni hanno residui idrofobici mentre altri hanno residui polari I residui hanno ingombri sterici molto diversi Alcuni residui hanno gruppi funzionali peculiari Questa differenza nelle caratteristiche dei Residui Aminoacidici determina sia la struttura tridimensionale della proteina sia le sue funzionalità La porzione comune ad ogni aminoacido è costituita da un C cui sono legati il gruppo R, un idrogeno e due gruppi funzionali: un gruppo aminico NH 2 e un gruppo carbossilico COOH Il legame peptidico Il legame peptidico è un legame covalente e si forma tra il gruppo carbossilico COOH del primo aa e il gruppo aminico NH 2 del secondo amminoacido DISIDRATAZIONE

5 Il legame peptidico La reazione conduce alla formazione di un legame covalente (tra il gruppo COOH del primo AA ed il gruppo NH 2 del secondo AA, con perdita di una molecola di acqua) stabile C-N detto Legame PEPTIDICO questo è un legame particolare con caratteristiche parziali di doppio legame, la sua vera condizione è quella di essere un ibrido di RISONANZA tra la condizione di legame semplice e quella di doppio legame: Il legame peptidico è una struttura risonante tra due formule limite Esso è sede di un orbitale delocalizzato che copre l O, il C e l N. Per verificarsi tutti e tre gli atomi si trovano in ibridazione sp 2 (3 orbitali posti nello stesso piano formanti un angolo di 120 ) la conseguenza di questo orbitale delocalizzato è: 2 aa il legame peptidico risulta essere una struttura planare rigida. Non si possono effettuare rotazioni intorno al legame C-N senza rompere l orbitale delocalizzato 1 aa Le lunghezze dei legami C-O e C-N sono intermedie tra quelle di un singolo ed un doppio legame Tra gli atomi che formano il legame peptidico esiste uno sbilanciamento di cariche, con parziale carica negativa sull O e parziale carica positiva sull H Il legame C-N è pertanto più breve degli altri legami C-N, in quanto presenta caratteristiche di doppio legame (la rotazione non può avvenire) N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C- Legame peptidico Le Proteine presentano una direzione indicata dalle estremità. Direzionalità: NH2 (1 aa) COOH (ultimo aa) scaricato da

6 R R Il legame peptidico si realizza tra il gruppo COOH del 1 aa e il gruppo NH2 del secondo aa e così via DIREZIONE NH2 COOH Nelle proteine si riconoscono quattro diversi livelli di struttura, primaria, secondaria, terziaria e in qualche caso, quaternaria La struttura primaria di una proteina è data dalla sequenza degli aminoacidi che la compongono (SPECIFICITA ) Come vedremo più avanti, questa a sua volta è specificata dalla sequenza di nucleotidi del DNA del gene che specifica per quella proteina A causa dei molteplici legami deboli (legami idrogeno) che si formano tra i residui aminoacidici, non appena sono assemblati gli aminoacidi non rimangono allineati ma le catene si ripiegano in modo ordinato ( struttura secondaria) Esistono due modi principali per ripiegarsi: - α Elica - Foglietto β (foglietto pieghettato)

7 Molecole dotate di polarità NH 2 iniziale COOH terminale elica: ogni gruppo -COOH è legato con un legame H ad un gruppo NH del 4 successivo AA della catena polipeptidica; ciascun residuo è spostato di 0,15 nm lungo l asse dell elica. Ogni giro di 360 contiene 3,6 residui di AA e la distanza tra giri successivi è di 0,54 nm. Le catene laterali sono esterne allo scheletro. La -elica ha andamento antiorario ed è stabilizzata sia dai legami H sia dalle forze di van der Waals. Nella struttura beta le catene sono distese (passo infinito) così la catena vista di profilo ha andamento a ZIG-ZAG ed i gruppi carbossilici ed amminici sono rivolti perpendicolarmente rispetto all andamento della catena per cui i legami H sono perpendicolari alla direzione della catena (INTRACATENA) Il fatto che una certa porzione dalla catena polipeptidica assuma l una o l altra struttura secondaria dipende da quali sono i residui aminoacidici e di conseguenza da quali legami deboli si instaurano La struttura secondaria deriva dai legami a idrogeno tra elementi dello scheletro aminoacidico Struttura : i gruppi amminici e quelli carbossilici formano legami H con regioni distanti della stessa catena ripiegata su se stessa (regioni parallele o antiparallele). Anche questa struttura viene stabilizzata sia dai legami H sia dalle forze di van der Waals.

8 Elica di poliprolina forma una spirale levogira molto allungata con soli 3 AA per giro d elica (la poliprolina è un a-imminoacido -NH per cui il legame Ca-N ha un angolo fisso). STRUTTURA TERZIARIA DELLE PROTEINE: E TIPICA DELLE PROTEINE GLOBULARI ED E DETERMINATA DALLA DIVERE INTERAZIONE TRA I GRUPPI R APPARTENENTI A PARTI DIVERSE DELLA CATENA E POSSONO ESSERE DI 4 TIPI. 1. LEGAMI IONICI 2. LEGAMI H 3. INTERAZIONI IDROFOBICHE (TRA GRUPPI R NON POLARI) 4. PONTI DISOLFURO TRA MOLECOLE DI CISTEINA. Pertanto LA SEQUENZA AMMINOACIDICA DETERMINA: (Struttura III) AD UN DATO ph E AD UNA DATA TEMPERATURA LA DISTRIBUZIONE DEI SEGMENTI AD ALFA ELICA, A STRUTTURA BETA ED A "RANDOM COIL" IL NUMERO E LA POSIZIONE DEI LEGAMI DISOLFURO TRA RESIDUI DI CISTEINA LA LOCALIZZAZIONE DEI RESIDUI DI PROLINA LA POSIZIONE A CUI POSSONO LEGARSI IONI METALLICI, LIPIDI E CARBOIDRATI LE POSIZIONI DEI LEGAMI IDROGENO, LE ATTRAZIONI TRA GRUPPI -R CARICHI POSITIVAMENTE E NEGATIVAMENTE, LE FORZE DI VAN DER WAALS L'EFFETTO NETTO DI QUESTI FATTORI E' DI STABILIRE UNA DISTINTA FORMA TRIDIMENSIONALE PER CIASCUNA PROTEINA CON UN UNICA SEQUENZA. QUESTA FORMA TRIDIMENSIONALE E' LA STRUTTURA TERZIARIA

9 DOMINI STRUTTURALI: Molte proteine presentano dei nuclei con struttura relativamente autonoma, essi svolgono funzioni specifiche nella proteina (legame con determinati coenzimi, interazioni con altre proteine etc..) in questo caso i domini strutturali coincidono con i domini funzionali. Alcune proteine mostrano struttura quaternaria in quanto sono composte da più sub-unità distinte e legate tra loro(si osserva solo nelle proteine multimeriche) Si dà il nome di struttura IV di una proteina al modo in cui diverse subunita (struttura terziaria) si associano tra di loro. Essa deriva dalla disposizione tridimensionale delle catene polipeptidiche

10 Se mettiamo la proteina in un solvente apolare oppure ad un ph o una temperatura molto diversi da quelli nei quali si trovano abitualmente, la proteina cambia forma e perde le sue proprietà (denaturazione) DENATURAZIONE DELLE PROTEINE Transizione dalla struttura nativa a quella di gomitolo statistico In qualche caso si può ritornare allo stato originario ripristinando le condizioni iniziali (rinaturazione) ma per lo più avvengono cambiamenti irreversibili che non lo permettono

11 Rappresentazione di un modello di regolazione allosterica Talune proteine vanno incontro a cambiamenti reversibili di conformazione a seconda del loro stato funzionale