STRUTTURA E FUNZIONE DELLE

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1 STRUTTURA E FUNZIONE DELLE

2 PROTEINE Compongono la STRUTTURA della cellula ma hanno anche altre FUNZIONI intelaiatura citoscheletrica strutture cellulari impalcatura di sostegno extracellulare catalisi enzimatica riconoscimento trasporto deposito movimento difesa LE MOLECOLE PROTEICHE CHE SVOLGONO QUESTE FUNZIONI HANNO STRUTTURA MOLTO SIMILE.

3 Proteine- funzioni (quelle nei cerchi sono funzioni aggiuntive rispetto a quelle descritte nella diapositiva precedente) Enzimi Proteine strutturali Proteine di trasporto Proteine di deposito Proteine contrattili Proteine di difesa Proteine regolatrici Recettori Pompe e canali ionici Catalizzano specifiche reazioni chimiche Costituiscono parte delle strutture extracellulari e l impalcatura interna (citoscheletro). Es. collageno, elastina, cheratina, spettrina, desmina, distrofina Assicurano il trasporto nei liquidi biologici di molecole altrimenti insolubili. Es.emoglobina, albumina, lipoproteine, transferrina Rappresentano un deposito di materia o energia o di particolare sostanze Es. mioglobina, ferritina, ovalbumina Responsabili della contrazione muscolare e diverse forme di locomozione cellulare. Es. actina, miosina, tubulina Riconoscono o inattivano sostanze estranee Es.anticorpi, tossine batteriche, proteine della coagulazione Regolano diverse processi cellulari Es.ormoni, fattori di crescita, fattori di trascrizione. Legano ormoni, fattori di crescita, neurotrasmettitori Assicurano il trasporto di ioni e composti organici attraverso le membrane sulle quali sono organizzate.

4 Nel sangue Molte proteine plasmatiche sono sintetizzate nel fegato L albumina costituisce oltre il 55% delle proteine circolanti (l emoglobina sta dentro i globuli rossi) In situazioni patologiche aumentano particolari proteine nel plasma: le proteine della fase acuta (APP), per es. la proteina C reattiva, altre invece diminuiscono, in queste condizioni aumenta anche la VES (velocità di eritrosedimentazione) Quando il sangue coagula, precipita la fibrina e può diminuire il contenuto proteico nel siero che rimane

5 La struttura delle proteine ne determina la funzione Le proteine sono singole catene, non ramificate di monomeri aminoacidici Sono sintetizzate mediante combinazione di aminoacidi Questi sono 20 differenti tra loro e uno scoperto più di recente è la selenocisteina (21 aminoacido). Altri tipi di aminoacidi si formano per modifica di questi. 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

6 4 livelli strutturali principali Non tutte le proteine o aminoacidi L emoglobina è una proteina globulare emoglobina Le catene polipeptidiche si avvolgono nello spazio a formare strutture compatte PROT. GLOBULARI o strutture allungate PROT. FIBROSE (x es. cheratina dei capelli o collageno)

7 Rappresentazioni grafiche differenti della stessa proteina Eme è il gruppo prostetico cioè una molecola di natura non proteica che è importante per la funzione della proteina, detta coniugata, senza il gruppo prostetico la proteina è detta apoproteina, la proteina invece completa è l oloproteina. Nel caso di enzimi sono detti cofattori (metalli) o coenzimi (molecole organiche)

8 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 carboidratici, 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 immerse nelle membrane lipidiche, anche 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. FLAVOPROTEINE: contenenti strettamente legato il coenzima FAD EME-PROTEINE Le proteine che hanno un gruppo prostetico o un cofattore legato

9 Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce per il gruppo R Gruppo aminico (è un gruppo basico) Gruppo carbossilico (è un gruppo acido)

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11 Lo stato di ionizzazione di un amminoacido dipende dal ph Forma presente a ph neutro o fisiologico

12 Anche le proteine hanno un PUNTO ISOELETTRICO (pi) Mettendole in un campo elettrico su un supporto con un gradiente di ph, la loro migrazione si ferma al ph che corrisponde al loro pi (questa proprietà è sfruttata nella tecnica elettroforetica ISO- ELETTROFOCUSING) L'elettroforesi è una tecnica analitica e separativa basata sul movimento di particelle elettricamente cariche immerse in un fluido, a cui è applicato mediante una coppia di elettrodi un campo elettrico.

13 La maggior parte delle proteine globulari hanno punti isoelettrici tra ph 4,5 e 6,5. Su supporti senza gradiente di ph, immersi in un tampone a ph alcalino cosicchè le proteine assumono carica netta negativa, le proteine possono essere separate in base alla loro mobilità elettrica verso il polo positivo di un conduttore collegato a un generatore di corrente, e se la loro dimensione è maggiore di quella delle molecole del solvente, la mobilità è inversamente proporzionale alla loro massa.

14 Questi valori sono indicatori della funzionalità del sistema immunitario e di molti organi come -il fegato, che sintetizza la gran parte delle proteine e -il rene che filtrando il sangue, rilascia proteine nell urina quando è in una condizione patologica.

15 PROTEINE Il C centrale (cosiddetto α) non è chirale (asimmetrico) solo nell aa GLICINA, dove R= H Macromolecole costituite da L-aminoacidi di diverso tipo legati tra loro in lunghe catene lineari, non ramificate. Le uniche ramificazioni sono le catene laterali R degli aa. aa = aminoacido

16 semplice metile nella catena laterale

17 Nel nostro organismo solo le forme cerchiate: D-zuccheri e L-aminoacidi

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19 # = Aminoacidi Essenziali * nel bambino # # # # # # (basici) Kwashiorkor (particolare forma di malnutrizione proteica, cala la pressione oncotica e quindi liquido esce dai vasi) # # * Alcuni aa hanno proprietà acido-base # (acidi)

20 Uno degli aa polari basici per. es. dell emoglobina

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22 INSULINA

23 Aminoacidi modificati : però nella proteina già sintetizzata, alcuni esempi Legame fosfoestere tra acido fosforico e l OH (il gruppo alcolico della serina) Per es nel collageno, nello SCORBUTO dovuto a carenza di Vit. C, idrossilazione difettosa Per es. nella protrombina, coinvolta nella coagulazione, necessaria per la carbossilazione la Vit. K

24 Gli aminoacidi non solo entrano nella costituzione delle proteine ma sono anche precursori di altri composti

25 Molti ormoni, neurotrasmettitori e mediatori chimici derivano da aminoacidi, per es. gli ormoni tiroidei o neurotramettitori Responsabile delle risposte allergiche

26 I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari Estremità amino-terminale o N-terminale Estremità carbossi-terminale o C-terminale AA n 1 (quello con l N-terminale), corrispondente al primo codon dell mrna maturo in 5 senso della proteina

27 Nella timina qui c è un metile Il primo codon è quello della metionina, AUG o UGG, che spesso viene rimosso nella proteina matura

28 Peptide bond Double bond character of the peptide bond The peptide bond is planar Peptide Polypeptide Protein ~ 2-10 amino acids ~ amino acids ~ 50- amino acids 2 angles freely rotatable 1 is fixed

29 Angolo φ (fi): generato dalla rotazione del legame tra Cα e N ammidico Angolo ψ (psi): generato dalla rotazione del legame tra Cα e C carbonilico Ramachandran Plot (plot =grafico) Indica le combinazioni possibili di φ e ψ Tiziana Bellini, Chimica medica e propedeutica biochimica, Zanichelli editore

30 Quattro livelli di struttura determinano la forma di una proteina 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 multisubunità

31 Foglietto β pieghettato Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno tra atomi di residui aminoacidici, abbastanza vicini nella sequenza Sono strutture regolari e ripetitive.

32 Strutture secondarie: l α elica Destrorsa è la più stabile passo dell elica

33 Modello strutturali a nastro

34 Strutture secondarie: il foglietto beta Foglietto β antiparallelo I fili beta si avvicinano a formare foglietti beta (β) stabilizzati da leg. H tra i gruppi carbonilici e aminici appartenenti a fili diversi

35 Foglietto β parallelo è meno stabile dell antiparallelo Tiziana Bellini, Chimica medica e propedeutica biochimica, Zanichelli editore

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37 I foglietti beta possono sovrapporsi stabilizzati da interazioni di vander-waals tra foglietti diversi, come nella fibroina della seta oppure nelle proteine globulari come le immunoglobuline si trova, nella parte variabile, il motivo beta-sandwich Altri tipi di motivi beta nei segmenti dove non è regolare la struttura secondaria è chiamata ad avvolgimento casuale (random coil)

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40 Forcina β = β-hairpin

41 in tutte le strutture proteiche note finora, vi è almeno uno dei circa 1000 motivi (o ripiegamenti) conosciuti ma si possono classificare le strutture proteiche e i motivi in 4 classi -tutto alfa -tutto beta -alfa/beta (segmenti alfa e beta alternati) -alfa + beta (regioni alfa e beta distanziate)

42 DOMINI STRUTTURALI nelle prot. Globulari= unità compatte, di solito in grado di ripiegarsi stabilmente in soluzione, come entità indipendenti all interno della struttura terziaria, data da + zone di strutt. secondaria, ravvicinate in modo che il cuore del dominio sia idrofobico, spesso al dominio si associa una particolare funzione, si può allora chiamare MODULO Le proteine multi dominio probabilmente si sono ALCUNE PROTEINE MOLTO GRANDI POSSONO AVERE +MODULI CARATTERISTICI DI ALTRE PROTEINE evolute dalla fusione di geni che un tempo codificavano x proteine separate Coinvolti nella fibrinolisi E anche un farmaco trombolitico

43 La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla conformazione della catena polipeptidica segmenti distanti di proteina nella strutt. primaria possono essere a contatto tra loro nella strutt. terziaria La struttura quaternaria è l organizzazione di polipeptidi in un unica unità funzionale che consiste di più di una subunità polipeptidica.

44 Una catena polipeptidica appena sintetizzata deve conformarsi, (cosiddetto folding) e, spesso, subire modificazioni chimiche per generare la proteina finale Anche interazioni idrofobiche e legami deboli di Van Der Waals sono coinvolti nella formazione della struttura terziaria

45 Legami coinvolti anche nella funzione per es. di legame di una molecola

46 L informazione per il folding della proteina è contenuta nella sequenza Tutti i polipeptidi con la stessa sequenza amminoacidica assumono, in condizioni standard, la stessa conformazione (lo stato nativo), che è agenti denaturanti e riducenti la più stabile conformazione che la molecola può assumere, mentre è in fase di sintesi. Infatti il folding comincia già durante la sintesi proteica, lo assistono proteine chiamate chaperonine e Hsp70 (hsp sta per heat shock proteins perché indotte dal calore per appunto la protezione di altre proteine) Processo di rimozione degli agenti LA PROTEINA PUO RIPRENDERE LA SUA STRUTTURA

47 Proteine denaturate al calore, con acidi, o chimici perdono la struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica. Il processo è reversibile? Non sempre

48 Proteine conformate in modo aberrante sono implicate nello sviluppo di patologie Una placca amiloide nella malattia di Alzheimer è un agglomerato di filamenti proteici Le amiloidosi sono patologie causate dall accumulo di amiloide

49 Foglietto β al posto di α elica Malattia della mucca Pazza (encefalopatia spongiforme) Nell uomo malattia di Creutzfeld-Jacob Nelle fibrille amiloidi vi è una prevalenza di foglietti beta

50 ULTERIORI MODIFICHE COVALENTI DELLE PROTEINE (viste prima modifiche su alcuni aminoacidi) Modificazione covalente: taglio di un legame Regolazione dell attività enzimatica mediante proteolisi Attivazione di zimogeni <> 50

51 zimogeni Attivazioni proteolitiche: gli enzimi digestivi 51

52 Regolazione dell attività enzimatica: Modificazioni covalenti degli enzimi, formazione di un nuovo legame La fosforilazione AUMENTA l attività di alcuni enzimi La fosforilazione DIMINUISCE l attività di altri enzimi 52

53 La fosforilazione è la regolazione covalente più comune ma ve ne sono altre: acetilazioni, glicosilazioni, attacco di lipidi o addirittura piccole proteine come l ubiquitina, che segnala che la proteina è da demolire (all interno del proteasoma, grosso complesso proteico) 53

54 L unità costitutiva del collagene è il tropocollageno

55 Struttura del collagene Serie ripetuta di 3 aminoacidi nella sequenza Gly-X-Y X=Pro e Y=HyPro

56 Glicina (30%) Prolina (25%) Aminoacidi modificati (25%) Idrossiprolina Idrossilisina Composizione in aminoacidi

57 La Biosintesi del collageno è intracellulare ma la completa maturazione avviene dopo la secrezione all esterno Intracellulare Trascrizione del DNA Pro-catene α Idrossilazione di Pro Glicosilazione Assemblaggio a formare le supereliche Extracellulare Proteolisi dei C- e N-terminali del pro-collagene Impaccamento delle molecole Fibrille

58 Con l età aumentano i legami crociati e questo rende il collageno meno elastico e più fragile

59 Es. di legami crociati Base di Schiff ridotta

60 Nell elastina legami crociati di tipo diverso consentono l allungamento

61 Collagenasi ed elastasi sono enzimi proteolitici collagenasi extracellulare è importante nella crescita e modellamento dei tessuti, è anche secreta da alcuni microbi che danneggiano in questo modo il tessuto connettivo circostante. Inoltre è attiva durante le infiammazioni dove consente ai globuli bianchi di uscire dai vasi per esplicare le loro funzioni protettive. E anche un medicamento usato per il trattamento delle ferite e ulcerazioni. Gli enzimi proteolitici vengono sintetizzati in una forma, che può poi al momento giusto essere attivata Quando hanno terminato la loro funzione devono essere neutralizzati, fermati da altre molecole: INIBITORI

62 Difetti genetici di Antitripsina alfa1 (inibitore dell elastasi) possono portare ad Enfisema polmonare (distruzione del connettivo delle pareti alveolari) P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2006

63 Esempio di modifica covalente durante il funzionamento di una proteina non fibrosa: riarrangiamenti nella GFP, green fluorescent protein, isolata inizialmente da una medusa. Al legame con l ossigeno, colpita dalla luce blu emette x fluorescenza luce verde Formazione base di Schiff Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2007