SOSTEGNO proteine strutturali (collagene, cheratina, elastina, fibroina) CATALISI (enzimi)

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1 PROTEINE STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE Forma e funzione Stretta correlazione fra forma e funzione delle proteine È la conformazione tridimensionale che conferisce alla proteina l'attività biologica specifica 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 Le PROTEINE sono i biopolimeri maggiormente presenti all interno delle cellule, dal momento che costituiscono dal 40 al 70% del peso secco. Svolgono funzioni biologiche di fondamentale importanza e possono essere divise in 7 gruppi principali: SOSTEGNO proteine strutturali (collagene, cheratina, elastina, fibroina) CATALISI (enzimi) Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di trasporto hanno invece una forma globulare TRASPORTO (emoglobina, albumina, lipoproteine, proteine di membrana) ORMONI proteine regolatorie (es. insulina e glucagone) DIFESA proteine di protezione (anticorpi, trombina) MOVIMENTO proteine contrattili (actina, miosina) Le catene sono strettamente avvolte in RISERVA (ovoalbumina, caseina) forma compatta, sferica o globulare, come un gomitolo Sono solubili in acqua 3 ATTACCO (tossine batteriche, veleni dei serpenti) 4 SunHope.it 1

2 La struttura delle proteine ne determina la funzione Le proteine costituiscono il 50% del peso secco di una cellula Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce per il gruppo R Le proteine sono singole catene, non ramificate di monomeri amino acidici Ci sono 20 differenti amino acidi che compongono le proteine 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 Amino Acidi Idrofilici Amino acidi idrofobici e amino acidi speciali SunHope.it 2

3 I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari Quattro livelli di struttura determinano la forma di una proteina alfa Beta 9 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 10 FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO 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 SunHope.it 3

4 20 amminoacidi uniti tramite un legame peptidico covalente LEGAME PEPTIDICO: C N = nm C N = nm C = N = nm Amminoacido 13 Il legame peptidico 14 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). N-Carbonio α (Φ); Carbonio α Carbonio Carbonilico (ψ) 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 15 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 16 dall'altro (minor ingombro sterico). SunHope.it 4

5 Pentapeptide: Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu 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) Il comportamento acido-base di un peptide può essere predetto in base a quello dei due gruppi terminali liberi ( i gruppi α-amminico e α-carbossilico) e alla natura dei suoi gruppi R ionizzabili. Polipeptidi (> 10 aa) Proteine: polimeri più lunghi ( aa) con una struttura definita 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) CODIFICAZIONE STRUTTURA FUNZIONE MONOMERICA OLIGOMERICA SEMPLICI CONIUGATE Glico-proteine Lipo-proteine Metallo-proteine Fosfo-proteine Emo-proteine Flavo-proteine SunHope.it 5

6 La caratteristica distintiva di ogni proteina è la particolare sequenza di aminoacidi Il dogma centrale della genetica Una comune struttura secondaria Proprietà dell alfa-elica: Resistenza e solubilità in acqua Proposta nel 1951 da Pauling e Corey Ogni idrogeno ammidico è coinvolto in un legame idrogeno con il carbonile di un altro amminoacido 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 SunHope.it 6

7 Strutture secondarie: l α elica MODELLO A NASTRO Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei legami ad idrogeno, ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet) e foglietto β Ad esempio la seta. Le proteine della seta sono un esempio di foglietto pieghettato Sono composte principalmente da glicina e alanina SunHope.it 7

8 Come si orientano i legami negli amminoacidi? alfa elica Guardate i carbonili! Nell alfa elica puntano nella stessa direzione, mentre nei foglietti pieghettati sono alternati I legami idrogeno si formano tra segmenti adiacenti I segmenti adiacenti possono anche essere lontani nella sequenza amminoacidica Le catene possono essere parallele o antiparallele SunHope.it 8

9 Strutture secondarie: il foglietto beta 33 Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno tra atomi di residui aminoacidici SunHope.it 9

10 I residui di cisteina possono formare ponti disolfuro intra o extra catena SunHope.it 10

11 Classificazione generale delle strutture terziarie Sequenza dell insulina bovina Proteine con predominanza di α elica Proteine miste Proteine con predominanza di β sheets Biofisica 42 La struttura quaternaria delle proteine La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da più catene polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine regolatrici) Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni nell attività catalitica Emoglobina collageno Esempio: la emoglobina Biofisica 44 SunHope.it 11

12 La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla conformazione della catena polipeptidica. Rappresentazioni grafiche differenti della stessa proteina La struttura quaternaria è l organizzazione di polipeptidi in un unica unità funzionale che consiste di più di una subunità polipeptidica SunHope.it 12

13 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. Fibrosi cistica: 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 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 50 L omologia delle sequenze suggerisce relazioni funzionali ed evolutive tra le proteine Conformazione, modificazione e degradazione delle proteine Una catena polipeptidica appena sintetizzata deve conformarsi e spesso subire modificazioni chimiche per generare la proteina finale Tutti i polipeptidi con la stessa sequenza amminoacidica assumono, in condizioni standard, la stessa conformazione (lo stato nativo), che è la più stabile conformazione che la molecola può assumere SunHope.it 13

14 L informazione per il folding della proteina è contenuta nella sequenza Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono la struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica. Il processo è reversibile Le chaperonine assistono le proteine nella fase di folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati SunHope.it 14

15 Proteine conformate in modo aberrante sono implicate nello sviluppo di patologie Una placca amiloide nella malattia di Alzheimer è un agglomerato di filamenti proteici PROTEINE CONIUGATE GLICOPROTEINE: enzimi, anticorpi, molecole di riconoscimento e recettori, supporti extracellulari. Tutte le proteine localizzate sulla superficie cellulare e negli spazi intercellulari sono GLICOPROTEINE. I gruppi glicosilici, a causa dei molti siti in grado di formare legami idrogeno, ne aumentano la stabilità conformazionale; conferiscono resistenza all'attacco enzimatico; forniscono gruppi specifici, riconoscibili dai ligandi. LIPOPROTEINE: moltissime nelle membrane cellulari, in special modo nella membrana plasmatica, dove il gruppo lipidico funge da ancora per la proteina. METALLOPROTEINE: spesso la loro presenza è necessaria per l'attività degli enzimi Funzioni proteiche Degradazione Proteica Regolata La funzione proteica generalmente richiede cambiamenti conformazionali Le proteine possono essere destinate a legare un range di molecole (ligandi) Il legame è caratterizzato da due proprietà: affinità e specificità Gli anticorpi posseggono precise specificità di legame Gli enzimi sono catalizzatori molto efficienti e specifici il sito attivo di un enzima si lega ad un substrato e catalizza una reazione Sistema autofagico lisosomiale Sistema Calpaina-Calpastatina Calpastatina Sistema Ubiquitina-Proteasoma SunHope.it 15

16 Modificato da: La Stampa, 7 ottobre 2004 Il premio Nobel per la Chimica 2004 è stato attribuito ai tre ricercatori che più hanno contribuito alla scoperta della«catena di smontaggio» delle proteine: sono l americano Irwin Rose, Università della California, e gli israeliani Aaron Ciechanover e Avram Hershko, entrambi dell Institute of Technology di Haifa. Il ruolo chiave nella demolizione delle proteine è affidato a una molecola relativamente piccola e semplice, un polipeptide chiamato «ubiquitina» (deriva dal latino, significa «sostanza che si trova dappertutto»). Quando una proteina deve essere rottamata - spiegano i vincitori - riceve una specie di bacio mortale. A baciare la proteina da demolire è appunto l ubiquitina, la cui scoperta risale al Si tratta di un bacio molto audace, perché questa molecola si lega alla proteina da distruggere in modo indissolubile con un meccanismo del tipo chiaveserratura molto diffuso nella chimica degli organismi viventi. Ricevuto il bacio letale, la proteina da rottamare finisce nel proteosoma, il tritatutto delle cellule, che in pochissimo tempo la ridurrà in minuti pezzetti, poi eliminati o riciclati In realtà l operazione è più complessa e richiede l intervento di tre enzimi. Il primo, chiamato E1, attiva la molecola di ubiquitina, e questa reazione richiede energia, liberata da una molecola di ATP. Il secondo enzima, E2, si lega all ubiquitina attivata e il terzo, E3, individua l oggetto da demolire. Il complesso ubiquitina-e2 aderisce strettamente alla proteina ed E3 rilascia la proteina marcata con l ubiquitina. L operazione si ripete finché si apre il proteosoma, cioè il tritatutto, che staccando l ubiquitina (che sarà di nuovo disponibile per il suo lavoro), smonterà la proteina pezzo a pezzo. Il meccanismo è stato chiarito da Rose, Ciechanover ed Hershko nel 1983 con esperimenti su topi transgenici. La demolizione delle proteine è fondamentale quanto la loro costruzione: la tripsina, ad esempio, nel nostro intestino spezza le proteine complesse del cibo in amminoacidi, passaggio indispensabile per farci assimilare il cibo. L eliminazione delle proteine è essenziale anche nel ciclo riproduttivo delle cellule, nella riparazione degli errori di copiatura del DNA e nelle reazioni del sistema immunitario che ci difendono dalle infezioni e dalle aggressioni dell ambiente. Anche in malattie come il cancro e la fibrosi cistica il ruolo dell ubiquitina è determinante. Processi di demolizione di proteine alterate sono all origine di queste malattie, ed è per questo motivo che le scoperte compiute dai tre ricercatori premiati con il Nobel possono aprire la strada a nuovi farmaci, in grado di curarle alla radice SunHope.it 16

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