STRUTTURA TERZIARIA. H 3 N + COO - β-foglietto. La catena polipeptidica delle proteine globulari oltre ad organizzarsi in

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1 STRUTTURA TERZIARIA α-eliche H 3 N + COO - β-foglietto La catena polipeptidica delle proteine globulari oltre ad organizzarsi in strutture di tipo secondario va incontro ad un ulteriore RIPIEGAMENTO sino ad assumere una struttura fortemente impaccata. Il ripiegamento (FOLDING) è tale che residui lontani nella struttura primaria sono avvicinati in modo da stabilire interazioni tra le loro catene R (interazioni a lungo raggio)

2 Il ripiegamento (folding) di una proteina non è mai un processo casuale Ma sempre dettato dalla sequenza amminoacidica della proteina. La catena polipeptidica assume strutture secondarie che sono avvicinate e impaccate mediante anse e curve della catena. La proteina collassa assumendo una struttura sempre più ordinata e impaccata. Assume il ripiegamento tridimensionale che garantisce la maggiore stabilità Nelson Cox, I principi di Biochimica di Lehninger, Zanichelli editore spa

3 Il ripiegamento inizia sotto la spinta dell EFFETTO IDROFOBICO: la catena polipeptidica si ripiega in modo da costringere le catene non polari ad associarsi tra loro in un CORE idrofobico da cui sono escluse le molecole d H 2 O (diminuisce l entropia del polipeptide e aumenta quella del solvente). H 2 O Durante l avvolgimento le catene laterali polari tendono ad essere spinte sulla superficie esterna della proteina, a contatto con le molecole d H 2 O della sfera di solvatazione. II processo risulta energeticamente favorito dalla formazione di numerosissime interazioni tra le catene laterali degli amminoacidi che vengono avvicinati.

4 Il modo in cui una catena proteica si avvolge dipende dal tipo di interazioni che si stabiliscono fra le catene laterali dei suoi residui amminoacidici. Una proteina, fra tutti i possibili ripiegamenti, addotta quello in cui le interazioni fra le catene R dei suoi residui sono OTTIMALI e consentono di raggiungere la maggiore stabilità (e quindi uno stato di minima energia) La proteina addotta la sua CONFORMAZIONE NATIVA. Non covalenti Interazioni idrofobiche Interazioni di van der Waals Legami idrogeno Interazioni ioniche Covalenti Ponti disolfuro Lys Tyr Asp Ser Leu 2 Cys Phe

5 Folding proteine

6 Esempi: Durante il processo di avvolgimento della catena polipeptidica più strutture secondarie riconoscibili si combinano formando i MOTIVI o STRUTTURE SUPERSECONDARIE ansa β-α-β Elica-ansa-elica es: proteine leganti calcio Barilotto β (proteine di membrana) Motivo complesso caratteristico dell α-emolisina di Staphylococcus aureus (tossina che uccide le cellule formando pori nella membrana)

7 DOMINII (da 30 a 300 residui amminoacidici) Più motivi si possono associare a formare dei DOMINI: Unità distinte di una stessa proteina che si ripiegano indipendentemente. Hanno una struttura riconoscibile e sono in genere associati a particolari funzioni. Sono connessi da anse e legati tra loro da interazioni deboli. Non tutte le proteine globulari hanno un organizzazione a domini. piruvato chinasi: 1 catena polipeptidica organizzata in 3 domini

8 STRUTTURA QUATERNARIA Presente in proteine costituite da 2 o più subunità, quindi da 2 o + catene polipetidiche. Le subunità (o monomeri) possono essere identiche o diverse I monomeri si associano nelle superfici di contatto per mezzo di Interazioni idrofobiche, Forze elettrostatiche, legami idrogeno, ponti disolfuro Chaperonina Emoglobina

9 Modificazioni delle proteine POST-TRADUZIONALI = avvengono dopo la sintesi proteica CO-TRADUZIONALI = avvengono durante la sintesi proteica Sono modificazioni chimiche della catena polipeptidica ad opera, generalmente (ma non sempre!) di enzimi specifici. Servono a modificare la funzione di una proteina (attivarla, inibirla, regolarla) Sono modificazioni che riguardano le ESTREMITA AMMINO- e CARBOSSI-TERMINALI o/e la CATENA LATERALE di DERMINATI RESIDUI AMMINOACIDICI che si trovano all interno di specifiche sequenze consenso o in particolari motivi strutturali. Tali modificazioni possono essere di natura covalente (ponti disolfuro, Acetilazione, Ossidazioni, Fosforilazioni, Tagli proteolitici, Glicosilazioni..) o non covalente (coniugazioni con metalli o gruppi prostetici attraverso interazioni polari o idrofobiche)

10 Modificazioni post/co-traduzionali possono coesistere nella stessa proteina generando diverse proteoforme con attività differenti. Prenilazione Glicosilazione Ponti disolfuro 2x PDI S Fosforilazione CHINASI O - P=O O - Modificata da James Hougland, Syracuse University, Department of Chemistry

11 PROCESSO DI MATURAZIONE DELL INSULINA Taglio e rimozione della sequenza N-terminale di 24 residui (peptide segnale) Formazione di 3 ponti disolfuro, 2 dei quali legano la porzione N-terminale (CATENA B) con quella C- terminale (CATENA A) Taglio e rimozione della porzione di catena centrale chiamata peptide C Catena B Catena A Peptide C Peptide C

12 La glicosilazione è la più comune forma di modificazione GLICOPROTEINE subita dalle proteine e può essere co-traduzionale (N-glicoproteine) o post-traduzionale (O-glico-proteine). Le glicoproteine svolgono importanti funzioni biologiche in svariati processi cellulari: riconoscimento recettoriale e immunologico, trasporto transmembrana di proteine, infiammazione, coagulazione, patogenicità, metastasi

13 Glicani Legati alla proteina con un legame O-glcosidico oppure con un legame N-glicosidico H Legame O-glicosidico Legame N-glicosidico

14 N-GLICOPROTEINE Il primo zucchero è sempre N-Acetilglucosamina (NAcGlc) gli zuccheri sono legati ad un residuo di asparagina (Asn) mediante un legame β-n-glicosidico fra il C-1 anomerico dell NAcGlc e l AZOTO ammidico della catena laterale dell Asn ( viene rilasciata 1 H 2 O) H 3 N + C=O CH 2 NH-CH-CO-NH-X-Ser/Thr Asn Catena polipeptidica COO - L asparagina deve trovarsi in una sequenza consenso: Asn-X-Ser/Thr

15 O-GLICOPROTEINE il primo zucchero è frequentemente l N-Acetilgalattosamina (NAcGal), ma potrebbe essere anche N- Acetilglucosamina, fucosio, mannosio, galattosio o xilosio. Gli zuccheri sono generalmente legati ad un residuo di serina (Ser) o treonina (Thr) mediante un legame β-o-glicosidico fra il C1 anomerico della NAcGal e l OSSIGENO ossidrilico della catena R di Ser (o Thr) H 3 N + O CH 2 NH-CH-CO- COO - La serina o la treonina non sono dentro una sequenza consenso, ma sono esposte sulla superficie della proteina

16 Tutti gli N-glicani hanno lo stesso core pentasaccaridico costituito da 2 N- acetilglucosammine e 3 mannosi, Core pentasaccaridico CORE PENTASACCARIDICO α(1 3) α(1 6) β(1 4) Su 2 di questi mannosi sono caricati da 2 a 4 rami di composizione variabile. Fuc Gal NAcGlc Fuc Gal NAcGlc β(1 4) Man Man Man NAcGlc NAcGlc --- Asn--- Fucosio = 6-deossi α-l-galattosio

17 Una stessa glicoproteina può esistere in diverse isoforme (GLICOFORME), che differiscono per: 1) Numero di siti di glicosilazione occupati 2) Composizione dei glicani nei diversi siti 3) Ramificazione dei glicani 4) Stereoisomeria dei legami glicosidici

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19 PROTEINE FIBROSE: RUOLO STRUTTURALE Non assumono una struttura terziaria ma presentano una struttura fondamentalmente secondaria e filamentosa che si associano in strutture polimeriche. Esempi: cheratine (α-eliche appaiate con un doppio avvolgimento) >>> capelli, unghie fibroina (foglietti β) >>> fibre della seta collagene (tripla elica) >>> tendini, tessuto connettivo, matrice ossea

20 α-cheratine: ne esistono vari tipi a seconda del tipo di tessuto che costituiscono (epidermide, unghie, capelli, mucosa, tessuti di sostegno ) Alterazione permanente delle α- cheratine di tipo I dei capelli α-elica Doppia elica di 2 α-eliche α-cheratine Protofilamento: 2 doppie elica accoppiate Filamento: superavvolgimento destrogiro di 4 protofibrille

21 COLLAGENE 25%-35% delle proteine totali dei mammiferi Catene polipeptidiche elicoidali sinistrorse (NON sono α-eliche) con ~3.0 residui per giro e un passo di 0,94 nm (sono più estese di un alfaelica). Ogni elica possiede ~ 1000 residui. 3 eliche sinistrorse si avvolgono l una all altra in senso destrorso a formare una tripla elica = TROPOCOLLAGENE

22 La sequenza amminoacidica di ogni elica è costituita da ripetizioni di 3 residui: - Gly-X-Y- X = spesso Prolina Y = spesso 4-idrossi-prolina Frequentemente presenti Lisina e 5-idrossi-lisina e 3-idrossi-prolina Limitata flessibilità conformazionale, Rigidità Impossibilità a formare α-eliche Nel superavvolgimento i residui di glicina delle 3 eliche sono localizzati lungo l asse centrale della tripla elica (in rosso), dove lo stretto impaccamento non consente la presenza di altri amminoacidi

23 IDROSSILAZIONE ad opera di prolil-idrossilasi e lisil-idrossilasi che utilizzano come cofattore l ac.ascorbico, vengono introdotti gruppi OH sulle catene laterali, che servono a formare legami idrogeno nei punti di contatto delle 3 eliche del tropocollegeno. Carenza di vitamina C = Cattivo assemblaggio della tripla elica (lesioni della pelle, indebolimento vasi sanguigni) >> Scorbuto

24 I residui di lisina e idrossilisina possono essere ossidati sul gruppo ε- amminico della catena R che diventa un gruppo aldeidico LA LISINA DIVENTA ALLISINA LA 5-IDROSSILISINA DIVENTA 5-IDROSSI-ALLISINA LISINA, ALLISINA e 5-IDROSSI-ALLISINA formano LEGAMI CROCIATI covalenti nel tropocollagene, che stabilizzano fortemente la sua struttura. Il numero dei legami crociati aumenta con l età.

25 Il collagene è una proteina altamente modificata: -Idrossilazioni sui residui di prolina e lisina -Ossidazione su residui di lisina -Glicosilazione sui residui di idrossi-lys -Rimozione domini N- teminali e C-terminali (Taglio di legami peptidici) -Legami crociati Focus on collagen: In vitro systems to study fibrogenesis and antifibrosis _ state of the art. Clarice ZC Chen1,2 and Michael Raghunath. 2009, Fibrogenesis & Tissue Repair 2(1):7