Le proteine. Le proteine sono macromolecole che presentano differenze funzionali e strutturali

Transcript

1

2 Le proteine Le proteine sono macromolecole che presentano differenze funzionali e strutturali

3 LE PROTEINE HANNO FUNZIONI BIOLOGICHE DIVERSE enzimi proteine di trasporto proteine strutturali proteine di riserva proteine contrattili proteine regolatrici proteine di difesa

4 CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE in base alla funzione biologica che svolgono Classe funzionale Enzimi Esempi Ribonucleasi,catalisi Proteine di regolazione Proteine di trasporto Proteine di riserva Proteine deputate alla mobilità ed alla contrattilità Insulina, tirotropina Emoglobina, albumina sierica Ovoalbumina, ferritina Actina, miosina Proteine strutturali Collagene, fibroina Proteine con funzioni di difesa Anticorpi Proteine particolari Proteina antigelo, resilina

5 CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE CONIUGATE in base alla natura chimica della componente non - amminoacidica

6 Ogni organismo contiene migliaia di proteine diverse, ognuna con una specifica funzione Gli aminoacidi rappresentano gli elementi costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle proteine, in quanto espressi dal codice genetico

7 Gli aminoacidi Forma non ionica In soluzione a ph neutro sono in genere ioni dipolari (o anfoioni) tutti gli aminoacidi presentano un gruppo amminico, un gruppo carbossilico ed una catena laterale R variabile nei diversi aminoacidi

8 Gruppi R alifatici, non polari N H 2 H O OH Glicina (gly) N H 2 CH 3 OH O Alanina (ala) H H 3 C N H 2 CH 3 O OH * Valina (val) CH 3 CH 3 CH 3 N H 2 O CH 3 OH N H 2 O OH N H O OH * Leucina (leu) * isoleucina (ile) Prolina (pro)

9 Gruppi R aromatici OH NH N H 2 O OH N H 2 O OH N H 2 O OH * Fenilalanina (phe) Tirosina (tyr) * Triptofano (trp)

10 Gruppi R polari, non carichi OH H 3 C OH SH N H 2 O OH N H 2 O OH N H 2 Serina (ser) * Treonina (thr) Cisteina (cys) O OH S CH 3 O O NH 2 N H 2 O OH * Metionina (met) N H 2 O NH 2 OH Asparagina (asn) N H 2 O OH Glutammina (gln)

11 Gruppi R carichi positivamente NH 3 + NH 2 O OH H N + N H NH 2 * Lisina (lys) *Istidina (hys) Arginina (arg) O OH H 2 N NH+ Gruppi R carichi negativamente N NH 2 O OH O O OH O NH 2 Aspartato (asp) O O O OH NH 2 Glutammato (glu)

12 Come tutte le molecole polimeriche, le proteine possono essere descritte in termini di livelli di organizzazione molecolare : struttura primaria struttura secondaria strutura terziaria struttura quaternaria

13 La sequenza degli AA costituisce la struttura I a delle proteine

14 La struttura primaria di una proteina è la sequenza aminoacidica della sua o delle sue catene polipeptidiche,, se la proteina è costituita da più di un polipeptide; ogni residuo è unito a quello vicino da un legame peptidico. Le proteine sono sintetizzate in vivo legando mediante condensazione uno dopo l altro l i vari aminoacidi in un ordine specificato dalla sequenza nucleotidica di un gene.

15 Le possibilità teoriche di un polipeptide sono illimitate Avendo a disposizione 20 scelte diverse per ogni residuo aminoacidico di una catena polipeptidica, si può immediatamente vedere che è possibile ottenere un numero praticamente infinito di proteine diverse. Chiaramente l evoluzione ha prodotto soltanto un piccolissimo numero di queste proteine teoricamente possibili.

16 Le proteine reali hanno limiti alla dimensioni e alla composizione. In genere le proteine contengono almeno 40 residui; i polipeptidi più piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi. Il polipeptide con le dimensioni più grandi fino ad ora studiato è la TITINA,, una proteina gigantesca contenente residui (2990 kda) ) che partecipa all organizzazione delle strutture ripetitive della fibra muscolare. Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da 100 a 1000 residui

17 L organizzazione degli atomi in una proteina viene detta conformazione I peptidi presentano regioni, che conferiscono rigidità alla struttura, altre che invece permettono variazioni conformazionali (mediante libera rotaz. intorno ai legami) Le proteine che si trovano nella conformazione più stabile (minore energia libera di Gibbs, G) sono dette proteine native

18 Il gruppo polipeptidico è una struttura rigida e planare, come conseguenza delle interazioni di risonanza che forniscono al legame peptidico circa il 40% di carattere di doppio legame O O - C N C + N H H Lo scheletro o la catena principale di una proteina non è altro che una successione degli atomi che fanno parte dei legami peptidici della catena polipeptidica.

19 Le catene peptidiche non possono assumere strutture 3D casuali L insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio definiscono la struttura II delle proteine Nelle proteine sono presenti diversi tipi di strutt.ii,, i più rilevanti sono l α-elica e la struttura β-sheet

20 α-elica β-sheet

21 Sia l α-elica sia il foglietto β, sono dette strutture secondarie regolari, in quanto sono composte da residui con valori degli angoli Φ e Ψ che si ripetono. L α-elica è destrorsa. Possiede 3,6 residui per giro e un passo di 5,4 A.

22 Le α-eliche presenti nelle proteine impegnano in media circa 12 residui, che formano più di 3 giri di elica e corrispondono ad una lunghezza di circa 18 A. Questa disposizione porta alla formazione di legami idrogeno molto forti, in quanto, l atomo di idrogeno legato all azoto e l atomo di ossigeno legato al carbonio si trovano alla distanza ottimale di 2,8 A.

23 Foglietto β Come l α-elica il foglietto β utilizza tutta la capacità di formare legami idrogeno dello scheletro del polipeptide. Nel foglietto β i legami ad idrogeno si formano tra catene affiancate invece che tra residui della stessa catena, come nel caso dell α-elica. Si possono avere due tipi di foglietti: Il foglietto β antiparallello in cui le catene vicine che formano legame idrogeno corrono in direzione opposte. Il foglietto β parallelo in cui le catene unite da legame idrogeno corrono invece nella stessa direzione.

24 Un livello ancora più alto di struttura è rappresentato dal dominio Il dominio rappresenta una regione compatta, comprendente aminoacidi, che può essere considerata come un unità strutturale distinta di una catena polipeptidica

25 La diffrazione ai raggi X ha permesso di individuare livelli di organizzazione strutturale superiori alla struttura II delle proteine

26 La struttura III si riferisce alla relazione spaziale tra tutti gli aa di una catena polipeptidica In una struttura III possono trovarsi più strutture II

27 Tra i residui superficiali si stabiliscono legami elettrostatici I legami salini (elettrostatici) uniscono due o più residui i cui gruppi R abbiano carica opposta, ma si stabiliscono anche tra i gruppi ionizzati in posizione α dei residui amminici e carbossi terminali. I ponti disolfuro conferiscono ulteriore stabilità. Questi si stabiliscono tra i residui di cisteina appartenenti alla stessa catena polipeptidica oppure a catene diverse.

28 Le interazioni idrofobiche uniscono i residui posti all interno di una proteina, infatti le catene apolari degli aminoacidi si associano all interno delle proteine globulari. Le interazioni idrofobiche anche se individualmente molto deboli sono presenti in numero talmente elevato da contribuire in maniera fondamentale alla stabilizzazione della struttura della proteina.

29 Le proteine perdono la loro struttura nativa in seguito a denaturazione La denaturazione avviene per azione calore I meccanismi molecolari della denaturazione comprendono: ph estremi solventi (acetone, alcol) soluti (urea, detergenti) riduzione dei legami S-S, S S, interferenza sulla carica netta (repulsione, e rottura dei legami ad H) interazioni idrofobiche

30 Perdita della forma nativa per riduzione dei ponti disolfuro

31 Un ulteriore livello è la struttura IV struttura IV, che si riferisce alle relazioni spaziali tra più polipeptidi o alle sub-unità interne di una proteina

32 Motivi proteici Motivo βαβ Ripiegamento a forcina Motivo αα Motivi a barile barile α-β

33 Motivo a dito di zinco

34 PROTEINE GLOBULARI Sono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acqua e caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una struttura quaternaria. Sono biologicamente attive (es. enzimi ed immunoglobuline) e costituiscono la più gran parte delle proteine cellulari. La tradizionale classificazione delle proteine globulari è basata sulle caratteristiche chimico-fisiche.

35 Protamine. Sono proteine basiche, presenti nello sperma di alcune specie di pesci Istoni. Sono proteine basiche di basso PM ( ) associate con il DNA nei nuclei cellulari. Prolamine e gluteline. Sono proteine vegetali ricche di prolina e di acido glutammico fra esse: la zeina del mais la gliadina del frumento l'ordina dell'orzo

36 Albumine. Sono proteine acidiche (ph - 5) con PM fra e , ben solubili in acqua e coagulabili al calore. Fra le albumine animali si ricordino quella del siero ematico e quelle dell'uovo e del latte. Globuline. Sono in realtà delle glicoproteine, hanno PM intorno ai , sono solubili in acqua. Le globuline più note sono quelle del sangue

37 PROTEINE FIBROSE Come tipici esempi di proteine fibrose vengono qui considerate le due principali proteine del tessuto connettivo il collagene e l' elastina. Collagene ed elastina coesistono in proporzioni diverse nelle strutture connettivali: nei tendini, ad esempio, prevale largamente il collagene, per contro i legamenti sono ricchi di elastina. Le fibre di collagene sono particolarmente resistenti alla tensione e quelle di elastina sono invece dotate di una certa elasticità, la prevalenza delle une o delle altre riflette il tipo di funzione meccanica della particolare struttura connettivale.

38 Collagene Il collagene, la più abbondante proteina dell' organismo (il 30% circa, di tutte le proteine) costituisce l'intelaiatura extracellulare di tutti gli esseri pluricellulari. E presente in percentuale varia in tutti i tessuti animali ed in misura dominante nei tessuti di sostegno (tendini, legamenti, fasce, cartilagine, ossa e denti). Il collagene viene sintetizzato dai fibroblasti del tessuto connettivo, dagli osteoblasti dell'osso, dai condroblasti della cartilagine e dagli odontoblasti dei denti. L'unità fondamentale del collagene è il tropocollagene, struttura a tripla elica allungata.

39 Elastina La Elastina, di spiccate proprietà elastiche, è la proteina fibrosa predominante nei legamenti e nelle pareti vasali arteriose, alle quali impartisce le note caratteristiche di elasticità.

40

41 Proteine plasmatiche Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine sono le sostanze più rappresentate. La loro concentrazione va da mg/l, circa il 4% di tutte le proteine corporee. Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento in elettroforesi: albumine α -1 globuline α -2 globuline β - globuline γ - globuline

42 la proteina più rappresentata è l albumina che dàd un contributo essenziale al mantenimento della pressione osmotica del sangue; agisce inoltre come proteina trasportatrice per sostanze lipofiliche (acidi grassi liberi, bilirubina, alcuni ormoni steroidei e vitamine) le globuline partecipano al trasporto dei lipidi, ioni metallici, vitamine, sono una componente importante del sistema di coagulazione e forniscono gli anticorpi del sistema immunitario

43 L elettroforesi permette la separazione delle proteine plasmatiche, la loro caratterizzazione e quantificazione

44 la maggior parte delle proteine plasmatiche viene sintetizzata nel fegato (fanno eccezione le immunoglobuline prodotte dai linfociti T) sono tutte glicoproteine, ad eccezione dell albumina

45 Tipo albumine: α-1 1 globuline esempio Transtirenina, Albumina Antitripsina Antichimotripsina HDL Transcortina Mr KDa α-2 2 globuline β globuline γ globuline Antitrombina III Colinesterasi Proteina legante Vit D LDL Transferrina IgG, IgA, IgM, IgD, IgE , 162, 900, 172, 196

46

47

48 Elevati valori delle immunoglobuline Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni croniche, o da epatopatie, o da altre forme morbose croniche, quali l artrite l reumatoide. Ogni infezione induce l aumento l di una determinata immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione per la diagnosi.

49 Una particolare intensa produzione di immunoglobuline, o delle loro catene leggere o pesanti separate, si ha nel mieloma multiplo o plasmacitoma, una neoplasia plasmacellulare del midollo osseo che porta alla progressiva distruzione delle ossa. La concomitante disfunzione del midollo osseo è responsabile dello stato anemico che si ha in questa malattia e della insufficiente produzione di anticorpi normali che rende i pazienti particolarmente sensibili alle infezioni.

50 Le sostanze che evocano la risposta immune sono gli antigeni e gli anticorpi sono le immunoglobuline che ne vengono evocate e che vi si legano. Un anticorpo si lega ad un sito sulla superficie di un antigene denominato epitope o determinante antigenico. Gli epitopi possono essere, segmenti di una catena polipeptidica, oppure sequenze glucidiche. Gli antigeni formano con gli anticorpi corrispondenti, dei complessi non covalenti antigene-anticorpo, più facilmente eliminabili degli antigeni stessi da parte dei fagociti

51 Schema semplificato di una immunoglobulina (IgG), costituita da due catene pesanti connesse da ponti di solfuro e da due catene leggere. Le porzioni tratteggiate delle catene, che hanno una composizione di amino acidi variabili, costituiscono il sito di legame con l antigene.

52 Organizzazione strutturale delle IgM e delle IgA. Si noti la frequenza di ponti disolfuro intercatena e la presenza sia nelle IgM sia nelle IgA della catena di interconnessione J.

53

54

55

56

57