Struttura e funzione delle proteine

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1 Proteine

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3 Struttura e funzione delle proteine Le cellule viventi contengono un corredo estremamente diversificato di molecole proteiche, ciascuna costituita da una catena lineare di aminoacidi uniti da legami covalenti. Ogni tipo di proteina ha una sequenza aminoacidica unica che determina sia la sua forma tridimensionale che la sua attività biologica.

4 La lunghezza varia da 30 a aminoacidi ma per lo più sta tra 50 e 2000

5 Le proteine si dispongono nella conformazione di energia libera minima E questa conformazione è STABILE

6 Le proteine si dispongono nella conformazione di energia libera minima E questa conformazione è STABILE: eccezione proteine aggreganti Proteina prionica Alfa sinucleina APP

7 La struttura delle proteine Struttura primaria = sequenza aminoacidica Struttura secondaria = elica α, piano β Struttura terziaria = elica α, piano β, avvolgimenti caotici, anse o pieghe tra l Ne il C- terminale Struttura quaternaria = più catene polipetidiche

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9 Le strutture secondarie, terziarie, quaternarie si realizzano mediante una specifica conformazione che le proteine possono assumere attraverso legami deboli non covalenti (van der Waals, ponti idrogeno, attrazioni elettrostatiche legami ionici ecc) Amminoacidi apolari e idrofobici saranno interni alla struttura mentre quelli polari esposti al mezzo acquoso per formare legami idrogeno per es. Altri amminoacidi polari all interno della molecola creano legami con altri all interno

10 Struttura e funzione delle proteine STRUTTURA PRIMARIA à SECONDARIA La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si stabilizza tramite interazioni non covalenti che si instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica. Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e ripetitive, note come elica α e piano β. Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni limitate di forma globulare compatta, note come domini proteici.

11 H2O costituisce il 70% del peso corporeo La maggior parte delle reazioni avviene in acqua La vita dipende dalle proprietà dell acqua Senza i legami idrogeno tra molecole di H2O non esisterebbe la vita

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14 Struttura e funzione delle proteine La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si stabilizza tramite interazioni non covalenti che si instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica. Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e ripetitive, note come elica α e piano β. Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni limitate di forma globulare compatta, note come domini proteici.

15 α -elica L N-H di ogni legame peptidico stabilisce un legame idrogeno con il C=O di un legame peptidico vicino piano-β I singoli tratti delle catene polipeptidiche della struttura sono tenuti insieme da legami idrogeno che si stabiliscono tra legami peptidici dei vari tratti

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17 La spirale è una forma diffusa nelle strutture biologiche

18 Esempio proteine TRANSMEMBRANA= parte idrofobica ESTERNA La spirale è un elemento frequente che ricorre (un giro completo della spirale è composto da 3,6 aminoacidi) Il lato idrofobico delle catene aminoacidiche ESTERNO APOLARE che formano l elica-α va a contatto con le molecole fosfolipidiche mentre le parti idrofiliche della molecola formano legami idrogeno all interno della spirale

19 Esempio proteine CITOPLASMA= parte idrofilica ESTERNA Spirale ritorta: aminoacidi non polari in a e d Le due eliche possono avvolgersi un una elica Catene apolari che interagiscono lasciando le catene laterali idrofiliche esterne per reagire con l acqua

20 La freccia punta verso il C terminale Anti-parallelo Parallelo

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22 Struttura e funzione delle proteine La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si stabilizza tramite interazioni non covalenti che si instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica. Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e ripetitive, note come elica α e piano β. Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni limitate di forma globulare compatta, note come domini proteici.

23 STRUTTURA SECONDARIA à TERZIARIA Elementi di struttura secondaria come le elica α, piano β, si compattano in strutture terziarie di forma globulare stabili ed indipendenti denominate domini, le proteine hanno solitamente uno o più domini Due domini tenuti insieme da parti non strutturate della proteina, flessibili

24 Per un peptide lungo n aminoacidi sono possibili 20 n combinazioni diverse Con 300 aminoacidi (lunghezza proteina tipica) si potrebbe fare teoricamente ( ) catene polipetidiche strutturalmente diverse ma solo una piccola frazione assume una conformazione stabile

25 STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA Molte proteine contengono copie multiple della stessa subunità

26 STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA Alcune proteine si formano per aggregazione simmetrica di subunità di due tipi Emoglobina: due coppie di globina α e due coppie di globina β In rosso molecola di eme che lega O ogni molecola trasporta 4 molecole di O

27 STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA Le proteine possono aggregarsi in filamenti, strati o globuli

28 STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA POLIMERI Un filamento di actina è composto di subunità proteiche identiche

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30 Collagene Elastina

31 Molte proteine sono attaccate all esterno della membrana cellulare o vengono secrete e vanno a fare parte della matrice extracellulare; tutte queste molecole sono esposte direttamente a condizioni ambientali extracellulari Per meglio mantenere la loro struttura le catene polipeptidiche di queste proteine spesso si stabilizzano attraverso ponti disolfuro (legami covalenti Z-Z) I legami covalenti Z-Z non si formano nel citosol perchè verrebbero idrolizzati in gruppi SH della cisteina dagli agenti riducenti

32 IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE LEGANO UN LIGANDO Tutte le proteine legano altre molecole (ligando) Molti legami determinano la specificità (il igando deve combaciare bene con la la proteina legante così aumentano i legami)

33 IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE LEGANO UN LIGANDO A sito di legame ogni proteina interagisce con un legame specifico Il sito di legame consta spesso di una cavità superficiale su cui gli aminoacidi (appartenenti a tratti della catena polipetidica distanti) si affacciano in una conformazione particolare

34 IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE LEGANO UN LIGANDO, ANTICORPI In azzurro parti variabili di catene pesante e leggera che legano antigene

35 Struttura e funzione delle proteine La funzione biologica di una proteina dipende dalle proprietà chimiche di zone particolari della sua superficie e dalle modalità di interazione con molecole specifiche, dette ligandi (es. enzimi). Gli enzimi sono proteine che, dopo aver legato strettamente molecole specifiche, dette substrati, catalizzano in esse la formazione e la rottura di legami covalenti. Al sito attivo di un enzima le catene aminoacidiche laterali della proteina avvolta su se stessa sono posizionati in maniera da favorire il passaggio dei substrati a uno stato di transizione ad alta energia, necessario perché si convertano in prodotti. La struttura tridimensionale di molte proteine si è evoluta in modo che l'associazione di un ligando anche piccolo può indurre una variazione significativa nella forma della molecola.

36 Classi funzionali degli enzimi Idrolasi Nucleasi Proteasi Sintetasi Isomerasi Polimerasi Chinasi Fosfatasi Ossido-reduttasi ATPasi Scissione idrolitica Degradazione acidinucleici Degradazione proteine Condensano due molecole Redistribuzione legami molecola Polimerizzaizone sintesi DNA/RNA Aggiunta gruppi fosfato Rimozione idrolitica gruppo fosfato Ossidasi, reduttasi, deidrogenasi Idrolisi ATP

37 Il lisozima catalizzando un idrolisi recede una catena polisaccaridica (E = enzima; S = substrato; P = prodotto) Antibiotico naturale contenuto in albume uovo, lacrime, saliva Scinde polisaccaridi di parete batterica e quindi patogeni Catalizzano cioè accelerano REAZIONI CHIMICHE basate su rottura di legami covalenti senza che la propria struttura sia alterata. Hanno una specificità di reazione. Diversi enzimi cooperano generando substrati per altri che intervengono in seguito nelle vie metaboliche

38 La reazione non avviene spontaneamente in mezzo acquoso e deve essere catalizzata cioè facilitata da enzima lisozima: energia libera della catena interrotta è minore di quella integra. In teoria la reazione sarebbe favorita. Però affinché una molecola d acqua urti lo zucchero e lo rompa, esso deve essere presente in conformazione distorta La distorsione richiede una dose notevole di energia che non viene erogata dalla sola collisione dell acqua con lo zucchero. Il lisozima catalizzatore ha un sito attivo che lega in modo specifico il ligando zucchero substrato tramite legami multipli non covalenti.

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40 Funzione e regolazione delle proteine Quasi tutti gli enzimi sono proteine allosteriche che esistono in due conformazioni diverse quanto ad attività catalitica. L'enzima può essere acceso o spento da ligandi che gli si associano a un sito di regolazione distinto, stabilizzandone la conformazione attiva o inattiva. L attività di quasi tutti gli enzimi cellulari è rigorosamente controllata.

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42 Altre proteine non legano substrati per modificarli in qualità di enzimi Esse legano altre molecole per acquisire funzioni specifiche Emoglobina lega con legami NON covalenti 4 molecole di eme Molecole ad anello con al centro uno atomo di ferro Lega OSSIGENO NEI POLMONI e rilascia IN TESSUTI

43 Funzione e regolazione dell attività delle proteine Diversi livelli di controllo: espressione genica regolazione della degradazione compartimentalizzazione in membrane organelli, per es lisosomi regolazione più rapida data da modifica della proteina stessa-feedback negativi e positivi o modificazioni chimiche

44 L inibizione retroattiva regola il flusso della via biosintetica Il prodotto Z inibisce il primo enzima esclusivo della via biosintetica Z si lega all enzima in rosso in un sito di regolazione modificando la velocità con cui l enzima trasforma I substrati in prodotti (inibizione)

45 L inibizione retroattiva a siti multipli regola reazioni metaboliche interconnesse Ogni aminoacido regola il primo enzima specifico per la propria sintesi Feedback negativi: lisina si lega all enzima rosso che cambia conformazione. Il suo sito attivo non è più favorevole ad accogliere il substrato. Enzima rosso ha due conformazioni allosteriche: una attiva-lega il substrato una inattiva-lega il regolatore negativo Feedback positivi

46 Funzione e regolazione dell attività delle proteine Diversi livelli di controllo: espressione genica regolazione della degradazione compartimentalizzazione in membrane organelli, per es lisosomi regolazione più rapida data da modifica della proteina stessa-feedback negativi e positivi o modificazioni chimiche Fosforilazione-Acetilazione-Ubiquitilazione Legame con molecola di GTP

47 Guanosin trifosfato (GTP) è un nucleotide Le proteine associate al GTP si trovano in conformazione attiva quando hanno il GTP legato Poi la proteina stessa idrolizza il GTP a GDP, libera un fosfato e passa alla conformazione inattiva Le proteine associate al GTP sono interruttori molecolari La dissociazione del GDP e la sua sostituzione con GTP pone l interruttore su acceso, questo avviene spesso in risposta ad un segnale ricevuto dalla cellula (proteine GTP legate fungono da segnale per attivare a loro volta altre proteine (trasmissione del segnale)

48 Struttura e funzione delle proteine In una cellula eucariotica tipica molte migliaia di proteine sono regolate tramite fosforilazione e defosforilazione ciclica o tramite il legame con il GTP e la sua idrolisi ad opera di una apposita proteina associata al GTP. Le proteine motrici idrolizzano l'atp ad ADP per produrre movimenti direzionali nella cellula. Gli agglomerati di proteine allosteriche capaci di fare cambiamenti di conformazione coordinati sono macchine proteiche efficientissime per svolgere funzioni cellulari complesse.

49 1. Il nucleoside è una molecola formata da due elementi, un composto con anello azotato (base) ed uno zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio o deossiribosio). 2. Un nucleoside dotato di uno o più gruppi fosfato legati allo zucchero si chiama nucleotide. 3. Adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide (subunità d DNA e RNA) la cui reattività dipende dai gruppi fosfato laterali 4. Partecipa al trasferimento di energia di centinaia di reazioni cellulari 5. Viene sintetizzato per mezzo di reazioni alimentari dall energia che si libera nella degradazione ossidativa delle sostanze nutritive 6. I suoi tre fosfati sono legati mediante due legami fosfoanidride la cui rottura libera grandi quantità di energia utilizzabile

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51 L idrolisi fa fare ampi movimenti alle proteine motrici, senza idrolisi la proteina vibra ma si muove finalisticamente

52 La fosforilazione è un meccanismo diffuso per regolare le proteine Trasferimento di un P (gamma) da ATP a catena laterale proteina di aa che portano -OH Ser, Thr, Tyr Le proteine che legano covalentemente un gruppo fosfato si modificano Le protein chinasi (fosforilazione) e fosfatasi (defosforilazione) sono gli enzimi che regolano il legame dei gruppi fosfato Ad ogni istante, un terzo delle proteine presenti in una cellula eucariotica è fosforilata