COSTITUENTI DELLE PROTEINE: AMINOACIDI

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1 2^ lezione Proteine

2 COSTITUENTI DELLE PROTEINE: AMINOACIDI Nell organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo 20 nelle proteine. Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti contemporaneamente. CLASSIFICAZIONE: Funzionale: in base alla polarità della catena R Nutrizionale: in base alla loro essenzialità.

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4 Trascrizione Traduzione

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6 Classificazione delle proteine In base alla funzione: ormoni, enzimi, di trasporto, di deposito, di struttura, di difesa, etc.. In base alla forma: - proteine fibrose - proteine globulari In base alla composizione chimica: - proteine semplici - proteine coniugate

7 Le proteine presentano diversi livelli di organizzazione strutturale. Le proprietà della catena aminoacidica determinano ulteriori arrangiamenti spaziali della molecola e la mettono in condizione di svolgere una certa funzione biologica. STRUTTURA PRIMARIA STRUTTURA SECONDARIA STRUTTURA TERZIARIA STRUTTURA QUATERNARIA

8 Struttura primaria E data dalla sequenza degli aminoacidi che costituiscono una catena peptidica. Ogni proteina è caratterizzata dall avere una specifica composizione in aminoacidi, e da un ben preciso ordine con cui questi si susseguono lungo la catena. La struttura primaria è determinata geneticamente: le sequenze aminoacidiche delle proteine di un individuo si trovano depositate, in codice, in altrettanti tratti del suo DNA, geni.

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11 I legami peptidici sono planari legame peptidico

12 Distanze fra atomi che caratterizzano il legame peptidico

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15 Struttura secondaria Lunghe catene di amminoacidi si piegano (fold) o si arricciano (curl) in una struttura regolare che si ripete. La struttura è il risultato della formazione di legami idrogeno tra gli amminoacidi della proteina. Tra le strutture secondarie comuni troviamo Le eliche alfa I foglietti beta pieghettati Queste strutture secondarie sono responsabili della rigidità delle proteine,

16 Una comune struttura secondaria Proprietà dell alfa-elica: Resistenza e solubilità in acqua Proposta nel 1951 da Pauling e Corey

17 Ogni idrogeno ammidico è coinvolto in un legame idrogeno con il carbonile di un altro amminoacido

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19 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

20 Strutture secondarie: l α elica MODELLO A NASTRO

21 e foglietto β

24 Come si orientano i legami negli amminoacidi? alfa elica beta struttura Guardate i carbonili! Nell alfa elica puntano nella stessa direzione, mentre nei foglietti pieghettati sono alternati

25 Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei legami ad idrogeno, ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet)

26 Ad esempio la seta. Le proteine della seta sono un esempio di foglietto pieghettato Sono composte principalmente da glicina e alanina

27 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

28 Strutture secondarie: il foglietto beta

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31 Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno tra atomi di residui aminoacidici.

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33 Struttura terziaria Riguarda tutte le possibili interazioni tra i gruppi R. Nessun legame covalente. Un eccezione è il ponte disolfuro tra due cisteine. La struttura terziaria è responsabile della forma della proteina nello spazio: - Globulare (enzimi, mio- e emoglobina) - Fibrosa (Fibroina, elastina, cheratina, collageno)

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36 I residui di cisteina possono formare ponti disolfuro intra o extra catena

37 Sequenza dell insulina bovina

38 Classificazione generale delle strutture terziarie Proteine con predominanza di α elica Proteine miste Proteine con predominanza di β sheets

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46 Le interazioni non covalenti che partecipano nella definizione della struttura delle biomolecole

47 Le interazioni non covalenti che partecipano nella definizione della struttura delle biomolecole

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50 Emoglobina collageno

51 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 nella funzione della proteina. Esempio: la emoglobina

52 La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla conformazione della catena polipeptidica. La struttura quaternaria è l organizzazione di polipeptidi in un unica unità funzionale che consiste di più di una subunità polipeptidica.

53 Rappresentazioni grafiche differenti della stessa proteina

54 Degradazione Proteica Regolata Sistema autofagico lisosomiale Sistema Calpaina-Calpastatina Calpastatina Sistema Ubiquitina-Proteasoma

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56 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.

57 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.

58 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.

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64 Le proteine, per svolgere la propria funzione, devono avere una CONFORMAZIONE CORRETTA MA Nell ambiente cellulare esistono condizioni che ostacolano il ripiegamento o che causano la perdita della struttura proteica

65 Se ipotizziamo che una proteina di n residui debba scegliere solo tra 3 conformazioni possibili dipendenti solo dagli angoli di torsioneφe ψ, pari a 2 n per ciascuno e che la proteina possieda solo 3 conformazioni stabili; allora valutando in sec. il tempo per assumere ogni conformazione, in una proteina con 100 residui aminoacidici, il tempo t in sec. Sarebbe: t = Pari a sec. (età dell universo pari a 20 miliardi di anni cioè sec.)

66 Conformazione 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. L informazione per il folding della proteina è contenuta nella sequenza

67 Le proteine raggiungono la loro struttura nativa avvalendosi dell aiuto di tutta una serie di molecole, che prendono il nome di Sciaperoni Molecolari. Gli sciaperoni molecolari promuovono la corretta organizzazione della struttura proteica attraverso cicli di legame e rilascio del substrato, regolati dall attività di ATPasi e di vari cofattori

68 Le chaperonine assistono le proteine nella fase di folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati.

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70 Folding e misfolding delle proteine Le chaperonine piccole e grandi, loro ruolo nelle patologie da misfolding Proteine "chaperone" alterate sono responsabili della patogenesi di malattie umane mutazioni in geni che codificano per proteine chaperone CHAPERONEPATIE Le patologie dovute ad alterazioni a carico di proteine chaperone in genere colpiscono numerosi organi ed apparati contemporaneamente, a dimostrazione della molteplicità di ruoli svolta da questa classe di molecole

71 Fattori che possono disturbare il processo di ripiegamento di una proteina nascente Mancata sintesi contemporanea di tutti i domini della proteina Presenza di grande quantità di macromolecole Esposizione di regioni che si ripiegano lentamente o idrofobiche

72 Sono note due patologie genetiche causate da mutazioni che colpiscono il dominio α-cristallino delle proteine αa- e αb- cristallina Mutazione (Arg)R120G(Gly) nella proteina αb-cristallina miopatia correlata con la desmina (DRM) Mutazione R116C(Cys) nella proteina αa-cristallina cataratta congenita

73 Sedi di espressione e funzione Le proteine αa- e αb- cristallina sono molto abbondanti nel cristallino, in associazione con i filamenti intermedi Funzione: stabilizzare i microtubuli e modulare l assemblaggio dei filamenti intermedi αb-cristallina è presente anche nel muscolo scheletrico e in quello cardiaco, nella pelle, nel cervello e nei reni Funzione: conferire protezione dagli stress ossidativi, termici ed osmotici (interazione con i filam. intermedi)

74 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. Biofisica

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77 Il Prione esiste in due forme. Quella normale, innocua (PrPc), può cambiare la sua forma e diventare patogena (PrPSc). La conversione da PrPc a PrPSc procede poi con una reazione a catena. Quando viene raggiunta una concentrazione sufficiente di proteine PrPSc, queste si aggregano a formare un lungo filamento che gradualmente danneggia il tessuto neuronale.

78 il suo scheletro si ripiega formando eliche (mostrate nel modello a nastro) e come cilindri nello schema con filamenti beta La proteina prionica (PrPc) è generalmente innocua. La PrPc si converte nella forma infettiva (PrPSc) quando gran parte dello scheletro si distende, formando i cosidetti filamenti beta. I siti in rosso nel modello a nastro della PrP normale evidenziano posizioni nelle quali la sostituzione di un amminoacido promuove probabilmente l'avvolgimento nella forma infettiva della molecola.

79 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), -Somatostatina (14, 28aa) -insulina con le sue due catene alfa (21aa) e beta (30aa).

80 Molte biomolecole sono di derivazione dagli aa. La glicina è un precursore dell eme. L ossido nitrico (Molecola segnale) si produce dall arginina GABA dal Glutammico Istamina dall istidina Serotonina dal triptofano Dopamina e Adrenalina dalla Tirosina Alcune poliammine derivano dall ornitina.

81 L'insulina è costituita da due catene polipeptidiche (α più piccola di 21 AA e β più grande di 30 AA), tenute insieme da ponti disolfuro che si formano tra le cisteine 7 e 20 della catena α e le cisteine 7 e 19 della catena β. L'insulina viene prodotta a partire dalla proinsulina tramite taglio proteolitico di un peptide di congiunzione di 33 aa. Questo peptide è chiamato peptide C, mentre l'enzima responsabile del taglio proteolitico è detto endopeptidasi 33aa 21aa 30aa

82 Alcuni ricercatori notarono che nell'insulina umana sono presenti delle regioni variabili, in particolare la sequenza degli aminoacidi n 28 e 29 (P ro-lys) della catena β; successivamente si scoprì che invertendo tali AA l'insulina passava direttamente allo stato monometrico, saltando quello dimerico. Nacque così la "Lys Pro" o "insulina rapida", un farmaco particolarmente utile se iniettato in prossimità di un pasto abondante.

83 La somatostatina viene prodotta, a livello ipotalamico, e anche a livello del sistema nervoso periferico a livello pancreatico e nel tratto gastrointestinale. La somatostatina influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione ghiandolare, la contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellulare. Nei mammiferi la somatostatina è codificata da un unico gene e sintetizzata come parte di un precursore più grande, la pre-pro-somatostatina, lungo 116 amminoacidi e caratterizzato all'estremità N-terminale da un peptide segnale di 24 residui. Il precursore viene, però, rapidamente trasformato in un peptide lungo 92 amminoacidi, la prosomatostatina [5, 6]. Nei mammiferi il proormone viene processato ad entrambe le estremità N- terminale e C-terminale a dare i due prodotti biologicamente attivi, la somatostatina-14 (SS-14) e la somatostatina-28 (SS-28)

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85 ossitocina,: nonapeptide secreto dalla neuroipofisi, implicato nella contrattilità della muscolatura uterina nel parto e nella eiezione del latte durante l allattamento, è implicato anche nei comportamenti sociali, sessuali e materni. Gly-Leu-Pro-Cys-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr

86 La vasopressina, nota anche come ormone antidiuretico (ADH) o diuretina, è una sostanza di natura peptidica secreta dall'ipofisi posteriore, ma prodotta principalmente a livello ipotalamico. La vasopressina gioca un ruolo importante nella regolazione del volume plasmatico, e come tale contribuisce a mantenere costante la parte liquida del sangue, chiamata plasma. L'ormone antidiuretico, infatti, favorisce il riassorbimento di acqua a livello renale (più precisamente nei tubuli distali e nei dotti collettori dei nefroni), opponendosi alla produzione di urina (o diuresi); da qui il nome antidiuretico. Più il suo livello è alto e minore sarà la produzione di urina e viceversa. In assenza di vasopressina, malattia nota come diabete insipido, il soggetto elimina 18 litri di urina al giorno e, di conseguenza, è costretto ad assumere almeno 20 litri di liquidi con la dieta. Se l'aggettivo "antidiuretico" esprime in modo chiaro l'azione fisiologica di questo ormone, altrettanto si può dire del sinonimo "vasopressina". L'ADH, infatti, possiede una seconda, importante, azione, legata alla sua capacità vasocostrittrice. Diminuendo il calibro delle arteriole, la vasopressina è infatti capace di aumentare la pressione arteriosa, anche in maniera sensibile quando è secreta in quantità elevate. Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly S-S

87 Il glutatione è una combinazione dei tre aminoacidi (tripeptide) cisteina, acido glutammico e glicina. γ-l-glutammil-l-cisteinil-glicina contro i radicali liberi o molecole come perossido di idrogeno, nitriti, nitrati, benzoati e altre. Svolge un'importante azione nel globulo rosso, proteggendo tali cellule da pericoli ossidativi che causerebbero l'emolisi. Elemento importante per il suo funzionamento è il NADPH. Tale molecola è un derivato della vitamina PP (acido nicotinico) e funziona da cofattore ossido-riduttivo dell'enzima glutatione reduttasi (o GSR). L'enzima rigenera il glutatione ossidato (o GSSG) attaverso gli elettroni ceduti dal NADPH, che vengono trasferiti sull GSSG rigenerando questo a gluatione ridotto (o GSH). Nei soggetti favici l'assenza dell'enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD) porta ad una minor produzione di NADPH; le fave contengono sostanze ossidanti che portano in queste persone all'emolisi, in quanto il glutatione non possiede abbastanza potere riducente da poter contrastare il danno ossidativo di tali sostanze.

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91 Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono la struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica. Il processo è reversibile

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