Amminoacidi Peptidi Proteine

Transcript

1 Amminoacidi Peptidi Proteine

2 Amminoacidi: Struttura generale COOH H NH 2 Centro chiralico Gli amminoacidi nelle molecole proteiche sono tutti stereoisomeri L

3 IDROFOBOCI

4 IDROFOBOCI

5 IDROFILICI

6 Secondo gruppo amminico primario IDROFILICI Gruppo imidazolico Gruppo guanidinico Secondo Gruppo carbossilico

7 FORMAZIONE DEI PONTI DISOLFURO PONTE DISOLFURO

8 PROPRIETÀ ACIDO-BASE DEGLI AMMINOACIDI Ione dipolare zwitterione Sono molecole ANFOTERE Donatore di protoni Accettore di protoni

9 La carica degli aminoacidi dipende dal ph della soluzione dal proprio punto isoelettrico carica positiva al di sotto del pi carica negativa al di sopra del pi carica netta 0 al pi

10 Peptidi & Proteine Polimeri di Amminoacidi Amminoacidi Peptidi Catene di Amminoacidi proteine

11 Il legame Peptidico

12 Il legame Peptidico Dipolo Più corto di un legame singolo Ha parziale carattere di doppio legame È rigido, non permette deformazioni e rotazioni attorno al legame C-N

13 Ciascun carbonio α appartiene contemporaneamente a due piani peptidici, i quali formano un angolo diedro Il legame peptidico è quasi sempre di tipo trans in quanto l impedimento sterico tra gruppi R di aminoacidi contigui rende poco stabile la configurazione cis

14 peptide Oligopeptide: piccolo numero di Amminoacidi Polipeptide: elevato numero di Amminoacidi, Massa molecolare < Proteina: elevato numero di Amminoacidi, Massa molecolare >

15 Proteine Semplici Contengono solo amminoacidi Coniugate Contengono gruppi chimici addizzionali associati

16 Proteine: Livelli strutturali La sequenza amminoacidica determina il ripiegamento in una specifica struttura tridimensionale che a sua volta stabilisce la funzione della proteina

17 La SEQUENZA con cui si ripetono i residui amminoacidici definisce la STRUTTURA PRIMARIA Proteine con lo stesso numero di residui aminoacidici che differiscono nella struttura primaria svolgono funzioni diverse. Le proteine si distinguono per la COMPOSIZIONE e per la SEQUENZA dei residui amminoacidici

18 Struttura secondaria delle proteine Tipica disposizione spaziale dei residui amminoacidici che sono adiacenti nella struttura primaria. Ripiegamento della catena polipeptica la cui catena principale si dispone nello spazio tridimensionale formando una struttura ripetitiva. Conformazione: organizzazione spaziale degli atomi di una proteina. α-elica, β-foglietto

19 Struttura secondaria delle proteine Per conformazione si intende l organizzazione spaziale degli atomi di una proteina. Le Conformazioni che una proteina può assumere sono quelle termodinamicamente più stabili (minore ΔG) Le proteine che si trovano nella loro conformazione funzionale vengono dette native Possiamo quindi definire la stabilità di una proteina come la sua tendenza a mantenere la conformazione nativa

20 Struttura secondaria delle proteine 1) INTERAZIONI IDROFOBICHE: Le catene laterali degli amminoacidi idrofobici tendono a raggrupparsi all interno delle proteine 2) LEGAMI H Massimo numero all interno della proteina

21 Struttura secondaria delle proteine: α elica N C C=O α - eliche delle proteine: destrorsa ogni giro di elica 3,6 residui di amminoacidi passo = 3,6 residui

22 Struttura secondaria delle proteine: α elica stabilizzata da legami idrogeno il gruppo C=O di un amminoacido forma un legame H con il gruppo N-H dell amminoacido che si trova 4 residui più avanti nella stessa catena

23 Struttura secondaria delle proteine: α elica stabilizzata da legami idrogeno L atomo di ossigeno del legame peptidico di ogni aminoacido forma legame idrogeno con l idrogeno del legame peptidico del quarto aminoacido successivo

24 PROLINA & GLICINA: residui incompatibili con la struttura dell α-elica Dove c è una prolina c è un ripiegamento

25 Struttura secondaria delle proteine: Stabilizzato tramite legami idrogeno Foglietto β tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica

26 Struttura secondaria delle proteine: Foglietto β

27 Ripiegamenti β Collegano le estremità di due segmenti adiacenti con strutture ad α elica oppure a foglietto β

28 Struttura terziaria delle proteine Definisce la disposizione di tutti gli atomi di una proteina nello spazio tridimensionale

29 Struttura terziaria delle proteine

30 Struttura terziaria delle proteine

31 Struttura terziaria delle proteine

32 Struttura terziaria delle proteine Residui Polari Residui Apolari Gli amminoacidi apolari tendono a sfuggire il contatto con l acqua e guidano interi segmenti della proteina ad occupare zone più interne della macromolecola ripiegata Gli amminoacidi polari si trovano più frequentemente sulla superficie della proteina stessa, a contatto con le molecole d acqua

33 Struttura terziaria delle proteine le interazioni tra le catene laterali degli aminoacidi determinano il modo in cui una lunga catena polipeptidica si ripiega nella forma tridimensionale della proteina

34 Ripiegamento non corretto delle proteine

35 Struttura quaternaria delle proteine Complessi tridimensionali che derivano dall associazione di due o più catene polipeptidiche SUBUNITA

36 Considerando i diversi livelli di organizzazione strutturale possiamo classificare le proteine in base a struttura e solubilità Globulari Fibrose la maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule

37 Classificazione, Struttura & Funzione delle proteine Proteine fibrose: catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o foglietti. Normalmente è presente un solo elemento di struttura 2 a ripetuto più volte. Prevalente funzione strutturale. Insolubili in acqua. Proteine globulari: Segmenti di una catena o di catene polipeptidiche diverse si avvolgono l uno sull altro catene polipeptidiche ripiegate e forma sferica. Normalmente sono presenti più tipi di struttura 2 a. Prevalente funzione regolatoria ed enzimatica.

38 Gli Enzimi

39 catalizzatori biologici rendono possibile da un punto di vista cinetico le reazioni chimiche Gli Enzimi Sono le proteine più importanti e più specializzate Presentano un elevato grado di specificità per il substrato Operano in soluzioni acquose con temperature e ph blandi

40 Struttura generale degli enzimi Sono proteine globulari complesse : Addotto enzima-substrato Parte proteica Parte non-proteica Cofattore (ione metallico) Coenzima (natura organica: vitamina o altro) Gruppo Prostetico

41 SITO ATTIVO: specifica porzione dell enzima, deputata al legame con il substrato che porta alla formazione dell addotto ES Addotto ES

42 Proprietà dei Catalizzatori I catalizzatori sono sostanze capaci di abbassare l energia di attivazione rendendo piú facile la formazione dell addotto ES: la reazione diviene quindi piú veloce.

43

44 La K equilibrio è correlata alla variazione di energia libera ΔG = in condizioni standard: 25 C, 1M K eq = [P] [S] ΔG = - R T lnk eq Un ΔG negativo indica che la formazione dei prodotti è favorita termodinamicamente, ma non fornisce informazioni sulla velocità della reazione

45 E+S ES EP E+P viene resa più veloce sia la reazione diretta, sia la reazione inversa viene raggiunto più velocemente l equilibrio ΔG =energia di attivazione G prodotti -G substrati ( G ) < 0 Reazione esoergonica

46 E+S ES EP E+P Stato di transizione (ǂ) Stato di transizione (ǂ) Reazione ESOERGONICA Reazione ENDOERGONICA

47 A(S) B(P) I catalizzatori abbassano l energia di attivazione delle reazioni favoriscono lo stato di transizione formando l addotto ES G prodotti -G substrati ( G ) < 0 Reazione esoergonica

48

49 Molti catalizzatori non facilitano la formazione dello stato di transizione, ma sostituiscono la reazione difficile con 2 o più reazioni entrambe con uno stato di transizione facile da formare E+S ES EP E+P Risultato: accelerazione della reazione globale. ΔG =energia di attivazione

50

51 A(S) B(P)

52 ADDOTTO Enzima-Substrato L energia usata per aumentare la velocità enzimatica deriva dalle interazioni deboli (legami idrogeno, interazioni ioniche e idrofobiche) che si formano tra enzima e substrato ENERGIA di LEGAME

53 Gli enzimi sono caratterizzati da elevata specificità

54 CATALISI ENZIMATICA

55 CATALISI ENZIMATICA

56 CATALISI ENZIMATICA Adattamento indotto

57 Enzimi: Aumentano la velocità di una reazione ma NON ne modificano l equilibrio Consideriamo la generica equazione: a A + b B c C + d D Definiamo costante di equilibrio K eq K eq = [P] [S] K eq [ C] [ A] c a [ D] [ B] d b a temperatura costante! Le concentrazioni sono all equilibrio La velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa

58 CINETICA ENZIMATICA velocità di una reazione (V): numero di molecole di substrato che si trasformano in prodotto nell unità di tempo. (V) si esprime come mmol/l di prodotto formatosi in un minuto (mm/min). Velocità iniziale V 0 Nelle analisi delle reazioni enzimatiche si utilizzano soltanto le velocità di reazione iniziali (v 0 ), quelle che si misurano non appena si mescolano l enzima ed il substrato. In tal modo la variazione di [S] può essere considerata trascurabile.

59 FATTORI CHE MODIFICANO LA VELOCITA DELLE REAZIONI ENZIMATICHE: 1) ph (curva a campana) 2) temperatura (curva bifasica a causa della denaturazione) 3) [S] (iperbole rettangolare a causa della saturazione) 4) inibitori CINETICA ENZIMATICA

60 CINETICA ENZIMATICA: ph Ciascun enzima ha un ph ottimale al quale la reazione è catalizzata con la massima efficienza. Esso in genere rispecchia il ph dell ambiente in cui l enzima svolge normalmente le sue funzioni. La concentrazione degli H + (ph) influenza l attività enzimatica modificando la geometria del sito attivo e la distribuzione delle cariche elettriche dei gruppi coinvolti nel legame del substrato o nel processo catalitico stesso. Valori di ph estremi possono anche provocare la denaturazione dell enzima.

61 CINETICA ENZIMATICA: ph

62 CINETICA ENZIMATICA: temperatura La velocità di reazione aumenta con l aumentare della temperatura fino a raggiungere un picco. Un ulteriore innalzamento della temperatura provoca una diminuzione della velocità di reazione a causa della denaturazione dell enzima.

63 CINETICA ENZIMATICA: temperatura

64 CINETICA ENZIMATICA: concentrazione del substrato La velocità di una reazione catalizzata da un enzima aumenta all aumentare della concentrazione del substrato fino a raggiungere una velocità massima (V max ). In questa condizione i siti attivi dell enzima sono saturi del substrato Quando tutto l enzima è saturato con il substrato: [ES] = [E tot ] V 0 = Vmax

65 CINETICA DELLO STATO STAZIONARIO STATO PRESTAZIONARIO: E + S S in grande eccedenza [ES ] [ES ] costante nel tempo

66 La curva che esprime la relazione tra V 0 e S ha un andamento iperbolico ed è espressa algebricamente dalla equazione di Michaelis-Menten Costante di Michaelis e Menten La Km è quella concentrazione di substrato a cui la V 0 è pari a metà della Vmax

67 L equazione di Michaelis-Menten descrive la variazione della velocità di reazione al variare della concentrazione del substrato. v 0 = velocità iniziale della reazione V max = velocità massima K m = costante di Michaelis-Menten [S] = concentrazione del substrato

68 Caratteristiche della K m La K m è pari alla concentrazione di substrato alla quale la velocità della reazione (V 0 ) è 1/2 della V max. La K m riflette l affinità dell enzima per il substrato: K m piccola = alta affinità dell enzima per il substrato K m grande = bassa affinità dell enzima per il substrato. Ogni enzima ha una K m caratteristica per un dato substrato. La K m non varia al variare della [E].

69 I PARAMETRI CINETICI POSSONO ESSERE USATI PER CONFRONTARE LE ATTIVITA DEGLI ENZIMI

70 Inibizione Enzimatica Inibitori ostacolano o impediscono il funzionamento degli enzimi Inibitore reversibile: Ha un azione temporanea, è possibile allontanare l inibitore dall enzima, consentendo il regolare esplicarsi dell attività catalitica. inibitore irreversibile: la ripresa dell attività enzimatica non è possibile, in quanto non è possibile in nessun modo allontanare l inibitore dall enzima

71 Inibizione Enzimatica Un Inibitore di tipo competitivo si lega al sito attivo dell enzima, precludendo il legame dell enzima stesso col substrato. Si forma un addotto enzima-inibitore, che non può evolvere verso il prodotto e che sottrae enzima alla reazione catalitica.

72 Inibizione Enzimatica un inibitore incompetitivo si lega ad un sito distinto da quello del substrato, legandosi al complesso ES

73 Inibizione Enzimatica un inibitore misto si lega ad un sito distinto da quello del substrato, ma si può legare sia all addotto ES sia al solo E

74 Enzimi regolatori Aumentano o diminuiscono la loro attività catalitica in risposta a determinati segnali tali enzimi non seguono la cinetica di Michaelis Menten e sono responsabili della modulazione della velocità con cui decorre interi processi metabolici struttura quaternaria (due o più subunità proteiche) in essi esistono più siti chimicamente attivi ENZIMI ALLOSTERICI Legano Effettori o MODULATORI: molecola che interagendo con l enzima in siti lontani dal sito attivo, esercita un effetto positivo o negativo sulla sua attività Modificazioni covalenti reversibili

75 Enzimi regolatori Enzimi allosterici: Agiscono mediante legame non covalente e reversibile di Modulatori allosterici Modificazione allosterica OMOTROPICI Il substrato è esso stesso un modulatore ETEROTROPICI Il modulatore è una molecola diversa dal substrato

76 Enzimi regolatori

77 Enzimi regolatori Inibizione retroattiva Gli enzimi allosterici possono essere inibiti dai prodotti terminali di una via metabolica un enzima regolatore controlla le quantità di sostanze che devono essere trasformate in una via metabolica (catalizza la reazione più lenta, in genere la prima di una serie)

78 Inibizione retroattiva Enzimi regolatori

79 Enzimi regolatori modificazione covalente reversibile

80 Enzimi regolatori modificazione covalente reversibile

81 Enzimi regolatori Scissione proteolitica di un precursore (zimogeno inattivo) modificazione covalente irreversibile

82 Enzimi regolatori

83 Enzimi regolatori

84 Coenzimi e Cofattori Molti enzimi per poter essere attivi richiedono la presenza di ioni metallici o di altre molecole, talvolta legate con legami covalenti: Coenzimi o cofattori Cofattore: ione o molecola NON PROTEICA la cui presenza è indispensabile perché l enzima possa svolgere la sua attività catalitica. Interagiscono con l apoezima solo durante il ciclo catalitico. Tra i cofattori hanno rilevante importanza gli ioni di alcuni elementi metallici, Ca, Mg, Mn, Zn, Cu (tutti gli enzimi che utilizzano ATP richiedono la presenza di ioni Mg 2+ ).

85 Coenzimi e Cofattori Molti enzimi per poter essere attivi richiedono la presenza di ioni metallici o di altre molecole, talvolta legate con legami covalenti: Coenzimi o cofattori Coenzimi: sono molecole organiche (alcuni di essi derivano da vitamine idrosolubili) prendono parte direttamente all azione catalitica dell enzima spesso si ritrovano modificati chimicamente al termine della reazione (es. NAD + / NADH).

86 Coenzimi I coenzimi da soli sono cataliticamente inattivi ma, unendosi all apoenzima, formano l enzima cataliticamente attivo. Uno stesso coenzima può essere unito a diverse proteine per cui si deduce che la specificità dell azione enzimatica è proprietà dell apoenzima e non del coenzima. La maggior parte dei coenzimi è strettamente legata alle vitamine. Per diventare coenzima, la vitamina subisce delle trasformazioni che vanno dalla semplice fosforilazione (uno dei casi più comuni) a trasformazioni più complesse. La trasformazione della vitamina in coenzima avviene all interno delle cellule ed è di natura enzimatica. I coenzimi possono essere classificati in gruppi diversi, in base al tipo di reazione catalizzata.

87 Coenzimi Coenzimi derivati dalle vitamine idrosolubili Le vitamine sono necessarie per la sintesi di coenzimi e devono essere ottenute con la dieta Piante e microorganismi sono produttori di vitamine La maggior parte delle vitamine deve essere ulteriormente trasformata per generare coenzimi

88 Cofattori Niacina (Vit. B 3 o PP) NAD + e NADP + La niacina (acido nicotinico) è un precursore di NAD + e NADP + NAD = Nicotinamide Adenina Dinucleotide NADP = Nicotinamide Adenina Dinucleotide Fosfato NAD + e NADP + fungono da coenzimi in molte reazioni di ossidoriduzione

89 Cofattori NAD + NADH

90 Cofattori Il NAD + funziona da deidrogenante: porta via 2 atomi di H dal substrato. Uno viene perso sotto forma di ione H +, l altro viene perso come idruro H - che si lega immediatamente all anello piridinico cationico

91 Coenzimi Riboflavina (Vit. B 2 ) coenzimi FAD e FMN FAD = Flavin Adenin Dinucleotide FMN = Flavin mono-nucleotide I coenzimi Flavinici sono coinvolti in reazioni di ossido riduzione catalizzate da molti enzimi (flavoenzimi o flavoproteine) Uova, latte, carne, cereali

92 Coenzimi

93 Coenzimi Partecipa alle reazioni di trasferimento di radicali ACILICI, come quelli che avvengono nell ossidazione di carboidrati, acidi grassi e aminoacidi. Acido Pantotenico (Vit B5) Coenzima A (CoA) I gruppi acile sono legati covalentemente al gruppo SH del CoA a formare tioesteri FONTE: Cereali, legumi, carne