α-cheratine (α-elica) collageni e cheratine β-cheratine (conformazione β) M.N. Gadaleta

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Serafina Luciani
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1 Per la scoperta delle conformazioni più comuni delle catene polipeptidiche cioè α-elica e β-conformazione è stato particolarmente importante lo studio delle cheratine, proteine fibrose, e l analisi della loro diffrazione ai raggi X. Le proteine fibrose sono: molto abbondanti, più semplici delle globulari; le catene polipeptidiche sono disposte, o avvolte, lungo una sola dimensione, spesso in fasci paralleli. collageni e cheratine α-cheratine (α-elica) β-cheratine (conformazione β)

2 CHERATINE proteine fibrose insolubili presenti negli animali, di derivazione ectodermica elementi proteici strutturali della pelle e di annessi cutanei α-cheratine β-cheratine corna, unghie, capelli, lana, pelle 10-20% cisteina seta, squame, artigli, becchi di rettili e uccelli α-cheratine - se riscaldate si stirano quasi fino al doppio; si contraggono di nuovo quando vengono raffreddate β-cheratine - non si stirano al calore Aumentando la temperatura (50-60 C) si rompono i legami H, si despiralizza l elica che si trasforma in una lunga catena (vedi capelli, lana). Diminuendo T si riformano le eliche che sono la conformazione più stabile.

3 L α-elica è la struttura caratteristica delle α-cheratine: più a-eliche si uniscono avvolgendosi una all altra a formare fibre tenute insieme da ponti disolfuro. Le catene sono parallele. da: Nelson & Cox

4 da: Nelson & Cox

5 Quando le α-cheratine vengono estese al calore danno profili di diffrazione ai raggi X molto simili a quelli della fibroina della seta che è una β-cheratina. CALORE rottura ponti H transizione α-elica struttura-β La struttura β è caratteristica della fibroina della seta. Nella maggior parte dei tipi di fibroina un AA ogni 2 è glicina H-. tutti i gruppi R posti da un lato del foglietto sono Quasi tutto il resto degli AA è alanina, in qualche caso serina, CH 2 OH. la maggior parte dei gruppi R dell altro lato sono CH 3 - o Sequenza: (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-) ripetuta n volte. Non può esistere struttura-β se i gruppi R sono ingombranti perché più vicini che non nell α-elica.

6 da: Nelson & Cox

7 Differenza tra α e β cheratine: - nelle α-cheratine tutte le catene sono parallele N C, nella fibroina sono antiparallele; - Le α-cheratine contengono molti residui di cisteina che formano ponti S-S tra catene adiacenti, le β-cheratine non hanno ponti S-S; - Le α-cheratine mostrano una periodicità ai raggi X di 0,54 nm (0,15x3,6) - Le β-cheratine di 0,70 nm (0,33x2,1)

8 Le strutture ad α-elica e a foglietto ripiegato β sono presenti anche in segmenti di proteine globulari. da: Stryer Nelle proteine globulari di cui si conosce la conformazione, le quantità di α-elica e di struttura β sono molto variabili. In MIOGLOBINA ed EMOGLOBINA l α-elica rappresenta la maggior parte della struttura della molecola (~ 70%). Altre proteine ne sono praticamente prive.

10 Nelle proteine globulari la catena polipeptidica può invertire bruscamente la sua direzione ripiegandosi su se stessa e dando origine a una struttura β ripiegata detta inversione o ripiegamento β. da: Nelson & Cox

11 INVERSIONI DI CATENA o inversioni β Nel 25% dei casi sono dovute alla presenza di una prolina o di una glicina (prolina => leg. pept. cis) Le catene risultano antiparallele. Nel 75% dei casi legame H tra CO dell ultimo residuo prima del ripiegamento e NH di C 4 o C 3. Le inversioni di catena si trovano in genere sulla superficie delle proteine per cui contengono residui idrofilici. Sono ritenute sempre più importanti; con un ruolo chiave in molte funzioni cellulari: sono determinanti nella costruzione dei siti di riconoscimento proteina-proteina.

12 da: libro Napoli

13 STRUTTURE SUPERSECONDARIE Raggruppamenti di elementi di struttura secondaria presenti in molte proteine globulari, anche non correlate fra loro. Hanno ruoli strutturali e funzionali. Unità βαβ L α-elica costituisce la connessione trasversale e destrorsa tra due catene β parallele Ansa o Meandro β Foglietto antiparallelo in cui i segmenti consecutivi sono connessi da ripiegamenti. Unità α α 2 eliche-α antiparallele con gli assi inclinati per favorire energeticamente le interazioni tra gruppi R super- da: Kleinsmith & Kish

14 ELICA DEL COLLAGENO COLLAGENO: una corda a tripla elica Tessuto connettivo: cellule + sostanza intercellulare abbondante S. intercellulare 2 proteine fibrose COLLAGENO, ELASTINA, e in più, proteoglicani (diversi dalle glicoproteine perché prevale la componente polisaccaridica) Il COLLAGENO rappresenta 1/3 della massa proteica totale dei vertebrati: - l elemento base è la fibrilla che presenta caratteristiche striature trasversali di nm, - nei tendini le fibrille sono disposte in fasci paralleli - nella pelle formano un reticolo intrecciato - nella cornea formano delle lamine - il collageno è inestensibile e può sopportare fortissime tensioni (perciò corda o fune)

15 Contenuto in AA del collageno 35% glicina 11% alanina 21% 12% prolina 9% idrossiprolina 4% lisina e idrossilisina Povero come cibo proteico: non contiene AA essenziali. Insolubile. BOLLITURA solubile = GELATINA = miscela di polipeptidi UNITA BASE DELLE FIBRILLE: MOLECOLA DI TROPOCOLLAGENO TROPOCOLLAGENO: triplice elica destrorsa molecola a forma di bastoncino con una testa, lunga ~ 300 nm spessa 1.5 nm PM ~ dalton

16 da: Nelson & Cox COLLAGENO: una corda a tripla elica destrorsa TROPOCOLLAGENO: unità base,triplice elica destrorsa molecola a forma di bastoncino con una testa, lunga ~ 300 nm spessa 1.5 nm PM ~ dalton

17 Il tropocollageno è formato da una triplice elica destrorsa di catene polipeptidiche che si avvolgono l una all altra. Ogni catena forma un elica molto diversa dall α-elica: - è sinistrorsa, - è molto più allungata e distesa: presenta 3 residui per giro, ogni residuo dista dal vicino 0,31 nm, - si ripetono le sequenza Gly-X-Y (X è spesso Pro e Y è spesso Hyp, a volte HyLys), - l elica non presenta legami H intracatena. La prolina non consente la formazione di α- elica e legami H - la repulsione tra le proline stabilizza l elica del collageno.

18 I tre filamenti sono uniti da ponti H (intercatena)che si formano tra l -NH dei gruppi peptidici dei residui di glicina e il C=O dei gruppi peptidici dei residui delle altre catene. Questi ponti H sono perciò perperndicolari all asse dell elica. La GLICINA è essenziale ogni tre residui a causa del suo gruppo R=H poiché viene a trovarsi all interno della triplice elica (vedi fig d di Neson & Cox). In alcuni collageni tutte e tre le catene sono identiche, mentre in altri due catene sono uguali e la terza è diversa. 10 varianti di collageno nei tessuti dello stesso individuo con 17 catene polipeptidiche geneticamente diverse (mammiferi). Si stanno facendo progressi nella determinazione della sequenza AA del collageno che è tra le catene polipeptidiche più lunghe.

19 da: Nelson & Cox

20 due AA speciali trovati nel collageno Sono incorporate nella catena polipeptidica come LISINA e PROLINA, vengono poi idrossilate * ENZIMA = protocollageno idrossilasi + a. ascorbico O 2, Fe 2+ α-chetoglutarato

21 La reazione è molto specifica: la prolina non è idrossilata come AA libero, ma solo quando è in posizione specifiche in catene polipeptidiche relativamente grandi. La prolina è idrossilata solo se posta dal lato amidico di una GLY. L idrossilazione della lisina è catalizzata da un altro E. L idrossilazione del collageno è molto importante. Carenza di a. ascorbico (vit.c) => SCORBUTO I primati e le cavie non son in grado di sintetizzarlo frutta fresca, etc. E necessario come agente riducente nella reazione di idrossilazione ac. ascorbico Il collageno non idrossilato non forma fibre gravi lesioni della pelle, fragilità dei vasi sanguigni.

22 Il collageno è stabilizzato da LEGAMI CROCIATI COVALENTI: -INTRAMOLECOLARI (all interno di una unità di tropocollageno) -INTERMOLECOLARI (tra unità diverse di tropocollageno I legami aumentano progressivamente con l invecchiamento rendendo più rigide e fragili le fibrille (es. la cornea si opacizza).

23 da: Nelson & Cox, squame, ecc. (β-cheratina)

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