24/07/16 LE PROTEINE POSSONO ESSERE CLASSIFICATE IN 10 GRUPPI. Strutturali Di riserva. Contrattili Tossine. Trasportatrici Recettoriali C C N C H 2 O

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1 Gli argomenti di oggi LE PROTEINE SONO UNA CLASSE DI COMPOSTI MOLTO VERSATILE La Chimica dei viventi. Le molecole organiche presenti negli organismi e rispettive funzioni. Il ruolo degli enzimi. Quante proteine sono teoricamente ottenibili? Quanti dipeptidi? 20 2 Quanti tripeptidi? 20 3 Quante proteine di 150 amminoacidi? LE PROTEINE SONO UNA CLASSE DI COMPOSTI MOLTO VERSATILE EMOGLOBINA trasporto DNA POLIMERASI enzima MELANINA protettiva Na-K ATPasi enzima ANTICORPI difesa TOSSINA TETANICA tossina INSULINA ormone CD4 recettore FASEOLINA riserva ZEINA riserva MIOSINA contrattile HCG ormone LE PROTEINE POSSONO ESSERE CLASSIFICATE IN 10 GRUPPI Enzimatiche Protettive Strutturali Di riserva Contrattili Tossine Ormonali Regolatorie Trasportatrici Recettoriali LA PROTEINA E UN POLIMERO DI AMMINOACIDI GLI AMMINOACIDI DI UNA PROTEINA SONO LEGATI MEDIANTE LEGAME PEPTIDICO MONOMERO POLIMERO O C C OH H N C amminoacido proteina O H C C N C H 2 O H 1

2 IL RIPIEGAMENTO DELLA MOLECOLA PROTEICA DIPENDE DALLA SEQUENZA DEGLI AMMINOACIDI. TALUNI MODI DI RIPIEGARSI SI RISCONTRANO FREQUENTEMENTE. LA STRUTTURA DI UNA PROTEINA SI ANALIZZA MEDIANTE Cristallografia ai raggi X Risonanza magnetica nucleare IL RIPIEGAMENTO DI UNA PROTEINA DIPENDE DALL INTERAZIONE DELLE CATENE LATERALI DEGLI AMMINOACIDI CON L ACQUA catene non polari catene polari Proteina non ripiegata Proteina ripiegata PRIMARIA STRUTTURA PRIMARIA E : STRUTTURA SECONDARIA SUPERSECONDARIA DOMINI STRUTTURALI TERZIARIA QUATERNARIA La sequenza di amminoacidi della proteina. aa 1 -aa 2 -aa 3 -aa 4 -aa 5 -aa 6 -aa 7 -aa 8 -aa aa n STRUTTURA SECONDARIA E : LA α-elica E LA PRINCIPALE STRUTTURA SECONDARIA Ripiegamento comune a molte proteine. Dovuto a ponti a idrogeno. 2

3 LA β-cheratina E UN ALTRA STRUTTURA SECONDARIA STRUTTURA TERZIARIA E : Ripiegamento tipico di ogni proteina. Dovuto ai legami tra le catene laterali degli amminoacidi. TRA GLI AMMINOACIDI SI TROVANO TUTTI I TIPI DI INTERAZIONI DEBOLI IL PONTE DISOLFURO E L UNICO TIPO DI INTERAZIONE FORTE TRA AMMINOACIDI NH NH CH CH 2 S H + H S CH 2 HC lys - glu tyr - glu phe - phe ala - ala legame ionico ponte a idrogeno legame idrofobico forze di Van der Waals CO CYS NH CYS NH CO CH CH 2 S S CH 2 HC CO CO Ogni proteina ha la sua forma! PRIMARIA SECONDARIA STRUTTURA SUPERSECONDARIA DOMINI STRUTTURALI TERZIARIA QUATERNARIA An illustration of the structure of HIV, with identified proteins labeled. Credit: David S. Goodsell, RCSB PDB. 3

4 LA STRATEGIA DEI VIVENTI SI BASA SULL USO DI: UN ENZIMA ENERGIA ENZIMI Accelera la velocità di una reazione abbassando l energia di attivazione NON rende possibili reazioni termodinamicamente sfavorevoli. IN OGNI REAZIONE CHIMICA IN CUI SI FORMANO O SI ROMPONO LEGAMI FORTI INTERVENGONO ENZIMI E SI SCAMBIA ENERGIA. NON sposta l equilibrio della reazione. NON si ritrova modificato dopo aver catalizzato la reazione. UN ENZIMA ABBASSA L ENERGIA DI ATTIVAZIONE Reazione non catalizzata energia Reazione catalizzata Gli argomenti di oggi COME FUNZIONA UN ENZIMA? Genetica molecolare: struttura e duplicazione del DNA, il codice genetico, la sintesi proteica. Il DNA dei procarioti. La struttura del cromosoma eucariotico. I geni e la regolazione dell'espressione genica. 4

5 LA COMPOSIZIONE CHIMICA DEGLI ACIDI NUCLEICI E MOLTO SEMPLICE BASI AZOTATE Acido desossiribonucleico RIBOSIO/DEOSSIRIBOSIO ACIDO FOSFORICO 1 : 1 : 1 PIRIMIDINE: ANELLI ETEROCICLICI ESATOMICI PIRIMIDINE: ANELLI ETEROCICLICI ESATOMICI TIMINA URACILE CITOSINA TIMINA URACILE CITOSINA T U C T U C C=O C=O C-NH PURINE: 2 ANELLI ETEROCICLICI ESATOMICO E 2 H-N C-CH 3 H-N PENTATOMICO C-H CONDENSATI N C-H C=O C=O C-NH PURINE: 2 ANELLI ETEROCICLICI ESATOMICO E 2 H-N C-CH 3 H-N PENTATOMICO C-H CONDENSATI N C-H O=C ADENINA N-H C-H A O=C N-H C-H GUANINA O=C G N-H C-H O=C ADENINA N-H C-H A O=C N-H C-H GUANINA O=C G N-H C-H CHARGAFF SCOPRI NEL DNA IL RAPPORTO: FRANKLIN E WILKINS STUDIARONO IL DNA UTILIZZANDO LA: PURINE = PIRIMIDINE A=T G=C CRISTALLOGRAFIA AI RAGGI X A+G = C+T 5

6 D N A WATSON E CRICK D O P P I A E L I C A DOPPIA ELICA SOLCO MINORE SOLCO MAGGIORE DNA B NORMALE IL DNA PUO ESSERE DENATURATO AL CALORE DNA structure movie Assorbimento a 260 nm Temperatura ( C) EFFETTO IPERCROMICO 6

7 LA RINATURAZIONE DEL DNA PORTA ALLA RICOSTITUZIONE DELLA DOPPIA ELICA PROPRIETA DEL DNA SONO: COMPLEMENTARIETA CALORE RINATU- RAZIONE ANTIPARALLELISMO INFORMAZIONI DERIVABILI DALLA STRUTTURA DEL DNA NATIVO DENATURATO RINATURATO MODALITA DI REPLICAZIONE NATURA DELL INFORMAZIONE NEL DNA E CONTENUTA INFORMAZIONE SULLA STRUTTURA DELLE PROTEINE L INFORMAZIONE VIENE REPLICATA L INFORMAZIONE E TRASCRITTA IN mrna E POI TRADOTTA IN PROTEINE IL DNA EUCARIOTICO E ORGANIZZATO IN CROMOSOMI NEL CROMOSOMA IL DNA E FORTEMENTE RIPIEGATO 7

8 PIASTRA METAFASICA CARIOGRAMMA LA COLORAZIONE DEI CROMOSOMI E A BANDE IL CROMOSOMA HA UNA ORGANIZZAZIONE ORDINATA 2 nm a c x 7 11 nm c s o p x 6 r 30 nm e c s i s x nm a o m r e e x 5 n 700 nm t o 1400 nm Filmato chromosome coil 8

9 LA REPLICAZIONE DEL DNA E SEMICONSERVATIVA LA REPLICAZIONE DEL DNA E SEMICONSERVATIVA IL MECCANISMO MOLECOLARE DI REPLICAZIONE DEL DNA LE DUE ELICHE SI SEPARANO E CIASCUNA FUNGE DA STAMPO PER LA SINTESI DI UNA NUOVA ELICA COMPLEMENTARE OGNI NUOVO NUCLEOTIDE VIENE LEGATO AL 3 -OH DEL NUCLEOTIDE PRECEDENTE LA DIREZIONE DI SINTESI COMPLESSIVA E : -3 BASE BASE BASE BASE BASE BASE BASE 3 L ENZIMA CHE CATALIZZA LA REAZIONE E LA DNA POLIMERASI BASE LA SINTESI IN DIREZIONE -3 CONSENTE DI CORREGGERE EVENTUALI ERRORI QUELLA SPORCA DOZZINA trifosfato zucchero base ORC (ORIGIN REPLICATION COMPLEX) ELICASI SSB (SINGLE STRAND BINDING) TOPOISOMERASI DNA POLIMERASI α/primasi PCNA RFC DNA POLIMERASI δ ESONUCLEASI DNA POLIMERASI LIGASI TELOMERASI 9

10 NEGLI EUCARIOTI LA REPLICAZIONE DEL DNA SI SVOLGE IN UNA FASE SPECIFICA DEL CICLO CELLULARE DNA REPLICATION MOVIES Figure 5-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) DNA mrna proteina TRASCRIZIONE TRADUZIONE L INFORMAZIONE E IN CODICE: AD OGNI TRIPLETTA DI NUCLEOTIDI CORRISPONDE UN AMMINOACIDO Proprieta del codice genetico A triplette Non sovrapposte Senza punteggiatura Univoco Degenerato Universale L informazione contenuta nel DNA è ricopiata in molecole di RNA Questo processo (la sintesi del RNA) prende il nome di TRASCRIZIONE La struttura del RNA è simile a quella del DNA 1. non doppia elica 2. ribosio non deossiribosio 3. uracile non timina 10

11 IL PROCESSO DI TRASCRIZIONE PORTA ALLA SINTESI DI RNA COMPLEMENTARE AL DNA Vengono sintetizzati 3 tipi di RNA principali: RNA messaggero (mrna) - contiene il messaggio per la sintesi di proteine RNA transfer (trna) - lega gli amminoacidi per la sintesi di proteine RNA ribosomiale (rrna) - fa parte del ribosoma LA SINTESI DELL RNA, COME QUELLA DEL DNA, E UNA REAZIONE PROCESSIVA DNA 3 RNA E IMPORTANTE QUALE DELLE DUE ELICHE VIENE TRASCRITTA RNA copia dell elica -3 3 DNA a doppia elica nucleotidi trifosfati polimerizzazione RNA copia dell elica 3 - ENTRAMBE LE ELICHE DEL DNA POSSONO ESSERE TRASCRITTE DNA di E. coli molecole di RNA ALCUNE PROTEINE CONTRIBUISCONO AD IDENTIFICARE I PROMOTORI NEGLI EUCARIOTI ESISTONO CENTINAIA DI PROTEINE CON QUESTA FUNZIONE 5000 coppie di nucleotidi 11

12 GLI ATTIVATORI SONO PROTEINE CHE FAVORISCONO IL RICONOSCIMENTO RNA POLIMERASI-PROMOTORE I REPRESSORI SONO PROTEINE CHE IMPEDISCONO IL RICONOSCIMENTO RNA POLIMERASI-PROMOTORE Gal4 LA TRASCRIZIONE PUO AVERE DIVERSA EFFICIENZA DUE PROTEINE REGOLANO IL LEGAME DELLA RNA POLIMERASI AL PROMOTORE DELL OPERONE DEL LATTOSIO RNA POLIMERASI ATTIVATORE REPRESSORE PROMOTORE DEL LATTOSIO CAP POLIMERASI REPRESSORE Figure 6-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) IL PROCESSO DI TRADUZIONE 12

13 NH 2 NH NH 2 NH 2 13

14 ANIMAZIONI Gli argomenti di oggi DNA REPLICATION IN EUKARYOTES: OVERVIEW (A PARTIRE DA: IMPORTANT FEATURES OF DNA STRUCTURE) FUNDAMENTAL OF RNA SYNTHESIS GENE ACTIVATOR PROTEINS: GENERAL PEPTIDE INITIATION IN EUKARYOTES PEPTIDE ELONGATION IN EUKARYOTES La membrana cellulare: struttura e funzioni il trasporto attraverso LE MEMBRANE SONO DOPPI STRATI FLUIDI DI LIPIDI IN CUI SONO IMMERSE PROTEINE FOSFOLIPIDI, COLESTEROLO E GLICOLIPIDI SONO I PRINCIPALI LIPIDI DELLE MEMBRANE teste polari 5nm colesterolo (rigido) Lipidi Proteine Lipide Proteina regione fluida UN DOPPIO STRATO DI LIPIDI SI ORGANIZZA SPONTANEAMENTE acqua acqua MOVIE SULLA FLUIDITA DELLE MEMBRANE bilayer 14

15 LE PROTEINE DI MEMBRANA HANNO VARIE FUNZIONI PROTEINE DI MEMBRANA FORMANO GIUNZIONI TRA LE CELLULE ADESIONE > cellula-cellula, cellula matrice (CADERINE, INTEGRINE) RECETTORI > ormoni, fattori di crescita, virus (INSULINA, EGF, INFLUENZA) TRASPORTO > canali, trasportatori (K +, Na/K-ATPasi) ENZIMI > molti tipi complesso giunzionale actina filamenti intermedi giunzione stretta giunzione aderente desmosoma giunzione gap emidesmosoma lamina basale UN RECETTORE E GENERALMENTE UNA PROTEINA TRANSMEMBRANA CHE CONSISTE DI TRE PORZIONI IL TRASPORTO DI MOLECOLE ATTRAVERSO LA MEMBRANA PU0 AVVENIRE IN DUE MODI ponti disolfuro oligosaccaride alfa elica Trasporto attivo contro gradiente consumo di energia Trasporto passivo secondo gradiente non necessita energia MEMBRANA Diffusione semplice Diffusione facilitata NH 2 Hypercell-membrane-solute movement IL TRASPORTO ATTIVO E MEDIATO DA PROTEINE TRANSMEMBRANA (TRASPORTATORI) TUTTE LE CELLULE TRASPORTANO SODIO E POTASSIO ATTRAVERSO LA MEMBRANA 15

16 ANCHE IL TRASPORTO PASSIVO PUO RICHIEDERE PROTEINE TRANSMEMBRANA (CANALI) chiuso aperto MOVIE SUL TRASPORTO FINE regione idrofobica regione idrofilica filtro selettivo agli ioni 16