LIPIDI (1) Lipidi & Membrane Biotec_BUSB Miscellanea di molecole biologiche che condividono la proprietà di non essere solubili in acqua. Molecole idrofobiche. Es: Grassi Oli (grasso liquido a temperatura ambiente) Colesterolo Molecole derivate dalle precedenti LIPIDI (2) I loro legami chimici covalenti, quasi esclusivamente legami carbono idrogeno o carbono carbono, contengono molta energia: Tipo di legame Energia (kcal/mole) C-H 99 C-C 83 LIPIDI (3) I lipidi sono perciò una efficiente forma di immagazzinare molta energia in poco spazio. Gli animali usano l energia in eccesso per sintetizzare lipidi che immagazzinano finchè l energia non é necessaria. Anche alcune piante immagazzinano energia sotto forma di lipidi, di solito nei semi per fornire energia alla nuova piantina (ad es. semi di girasole, nocciole, mandorle, tutti molti oleosi) Se un animale o una pianta in sviluppo ha bisogno di energia può degradare i lipidi e rilasciare l energia immagazzinata nei suoi legami chimici. Lipidi modificati mediante collegamento ad un gruppo chimico idrofilico, che quindi sono molecole bipolari, giocano un ruolo fondamentale in quanto si associano spontaneamente in membrane. Lipidi: Funzioni Immagazzinamento di energia (grassi e oli) Membrane cellulari (fosfolipidi) Cattura di energia luminosa (carotenoidi) Ormoni e vitamine (steroidei e acidi grassi modificati) Isolamento termico Isolamento elettrico dei nervi Repulsione di acqua (cere e oli) Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche che hanno all estremità un gruppo acido ( COOH) Gli acidi grassi possono essere saturi o insaturi. 1
Lipidi: Molecola insolubili in acqua I grassi (animali) e gli oli (vegetali) immagazzinano energia. I grassi e gli oli sono trigliceridi, composti da tre molecole di acidi grassi esterificate con una molecola di glicerolo. Il Glicerolo è una molecola con tre atomi di carbono e tre gruppi idrossilici ( OH), uno per ogni atomo di carbono. Gli acidi grassi sono lunghe catene idrocarburiche con un gruppo carbossilico ( COOH) ad una estremità. Lipidi: Acidi Grassi Saturi Gli acidi grassi saturi hanno soltanto legami carbono carbono singoli (sono saturi di idrogeni). Sono rigidi e dritti a temperatura ambiente. I grassi animali sono saturi. Lipidi: Molecole insolubili in acqua Acidi grassi saturi e insaturi Gli acidi grassi insaturi hanno almeno un carbono coinvolto in un legame doppio nella catena la catena non è totalmente satura di atomi di idrogeno. I doppi legami provocano gomiti che impediscono un facile impacchettamento. Sono liquidi a temperatura ambiente. Le piante di solito hanno acidi grassi insaturi. Most animal fats, solid @ RT Most vegetable oils, one one or more double bonds liquid @ RT Ac. Grassi saturi Lipidi saturi e insaturi Ac. Grassi insaturi I termini saturi e insaturi si riferiscono al numero di legami che può fare ogni atomo di carbono della coda di acido grasso. Lipidi saturi: hanno legami singoli fra tutti gli atomi di carbono e quindi tutti gli atomi di carbono sono collegati al massimo numero di idrogeni possibile. Queste catene sono abbastanza lineari e possono impacchettarsi strettamente, rendendo questi grassi solidi a temperatura ambiente. Altri grassi hanno alcuni legami doppi fra taluni atomi di carbono della coda, e ciò provoca un ripiegamento della coda. Poichè gli atomi di carbono coinvolti nei legami doppi non sono in grado di legarsi al maggiore numero di idrogeni possibile, vengono chiamati grassi insaturi. I ripiegamenti delle code impediscono ai grassi insaturi di impacchettarsi strettamente come i grassi insaturi, e ciò li rende liquidi a temperatura ambiente. 2
Acidi grassi polinsaturi Contengono più di un legame doppio nella loro impalcatura. Includono molti composti importanti quali gli acidi grassi essenziali. I più noti sono polieni interrotti da gruppi metilenici: C C=C C C=C Gli acidi grassi essenziali sono tutti omega 3 e omega 6 acidi grassi con interruzione di gruppi metilenici Acidi grassi monoinsaturi e polinsaturi saturo polinsaturo I grassi sono designati come monoinsaturi si vi è soltanto un doppio legame e polinsaturi si ci sono due o più legami doppi. Gli acidi grassi omega 3 e omega 6 sono acidi grassi polinsaturi, la differenza sta nella localizzazione del legame doppio: Negli omega 3 il primo legame doppio si trova nell 3 atomo di carbonio Negli omega 6 il primo legame doppio si trova nel 6 stomo di carbono a contare dall estremità metilenica (nota come omega). http://www.revisionworld.co.uk/node/5587 Trigliceridi http://www.eufic.org/article/en/artid/the importance of omega 3 and omega 6 fatty acids/ 3
Struttura dei trigliceridi Tessuto adiposo e adipociti http://www.udel.edu /biology/wags/histo page/colorpage/ca/w atmv.gif http://proteome.biochem.mpg.de/adipo/ 3 Lipidi: Molecole Insolubili in acqua I fosfolipidi hanno due codi di acidi grassi idrofobici e un gruppo idrofilico legato al glicerolo. Glicerolipidi Come conseguenza, in ambiente acquoso i fosfolipidi si orientano in modo tale che i gruppi fosfato (e i gruppi polari ad esso legati) si affacciano all acqua e le code si rivolgono dal lato opposto. In ambiente acquoso questi lipidi foermano doppi starti ( bilayers ) con le teste rivolte all esterno e lo code rivolte verso l interno. Le membrane cellulari sono così strutturate Carattere anfipatico o anfifilico dei fosfolipidi Sn1: Saturo, 16-18 atomi di Carbono Sn2: Sempre insaturo, + lungo: almeno 18 atomi di Carbono: GLICEROFOSFOLIPIDI 4
Fosfolipidi con acidi grassi saturi Fosfolipidi con acidi grassi insaturi Influenza dei legami doppi in posizione cis delle catene idrocarburiche I legami doppi rendono più difficile il compattamento reciproco delle catene, così rendendo più difficile il congelamento del bilayer lipidico. Inoltre, dato che le catene degli acidi grassi dei lipidi insaturi sono più sparpagliate, i bilayers lipidici che contengono lipidi insaturi sono più sottili dei bilayers formati esclusivemente dai lipidi saturi. Quattro fosfolipidi importanti nelle membrane plasmatiche dei mammiferi. Tutti i lipidi rappresentati derivano dal glicerolo ad eccezione della sfingomielina, che deriva dalla sfingosina (a sua volta un derivato dalla serina). e ioni 2.7 Structure of phospholipids (Part 1) 5
2.7 Structure of phospholipids (Part 2) 2.7 Structure of phospholipids (Part 3) Oltre ai fosfolipidi le membrane contengono anche colesterolo van Meer G. Cellular lipidomics. EMBO J. 24:3159-3165, 2005. Colesterolo Ormoni steroidei Becker, Il mondo della cellula 6
Sfingolipidi (1) Lipidi derivati dall amminoalcool sfingosina. Un acido grasso è legato al gruppo amminico della sfingosina. I diversi gruppi polari (R) legati al gruppo OH conferiscono proprietà molto diverse. Se R è l idrogeno (H) il composto si chiama ceramide. SFINGOLIPIDI Glicosfingolipidi Nella classe dei glicolipidi la testa polare é legata alla sfingosina mediante legame glicosidico di una molecola di zucchero, piuttosto che mediante un legame fosfoesterico, come nel caso dei fosfolipidi. Ceramidi I ceramidi sono una famiglia di molecole lipidiche. Un ceramide è composto da sfingosina e di un acido grasso Si trovano in elevata concentrazione nella membrana plasmatica come uno dei componenti della sfingomielina, che è uno dei principali lipidi del doppio strato lipidico. Per anni si è presunto che i ceramidi e altri sfingolipidi fossero soltanto elementi strutturali ma oggi si sa che sono molto di più. Forse uno degli aspetti più affascinanti del ceramide è che esso può agire da molecola di segnalamento. Le funzioni più note dei ceramidi come segnalatori cellulari includono la regolazione del differenziamento, proliferazione e morte cellulare programmata (Programmed cell Death, http://en.wikipedia.org/wiki/apoptosis) Glicosfingolipidi, GSLs Composti anfipatici che comprendono subunità glucidiche legate ad un ceramide. Sono costituenti ubiquitari della membrana plasmatica di tutte le cellule dei Vertebrati. Si ritiene che gli GSLs siano recettori per microorganismi e le loro tossine, modulatori della crescita cellulare e del differenziamento e organizzatori dell adesione delle cellule alle matrici. Si conoscono più di 400 tipi di GSLs anche se nei Vertebrati si trovano soltanto 7 tipi di monosaccaridi negli GSLs. 7
R: fosforilcolina sfingomielina Sphingolipids R: Zuchero/i glicosfingolipidi -Sphingomyelin (NO sugar residue) Major Glycosphingolipids are: -Cerebrosides:(single sugar) -Globosides (oligosaccharides -Sulfatides (acid single sugar) -Gangliosides (acid multiple sugar) http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm ons/thumb/c/c1/myelinated_neuron.jpg/220p x Myelinated_neuron.jpg Il cervello umano e il midollo spinale consistono in regioni grigie e bianche: La regione bianca è fatta da assoni delle cellule nervose avvolti in un rivestimento lipidico bianco, la guaina mielinica, che fornisce isolamento elettrico e permette una conduzione rapida dei segnali elettrici. La sclerosi multipla è provocata dalla degradazione graduale della guaina mielinica Le sfingomieline sono presenti in tutto il corpo come componente delle membrane di cellule del sistema nervoso. Cosituiscono circa il 25% dei lipidi della guaina mielinica che circonda ed isola le cellule del Sistema Nervoso Centrale. La malattia di Niemann Pick è provocata da un deficit dell enzima che degrada una quantità eccessiva di sfingolmielina, che quindi si accumula nel fegato, cervello e midollo osseo. Un bambino affetto di questa malattia di solito muore nell infanzia. http://www.healthcentral.com/common/images/9/9682_96 13_5.jpg http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/556sphingo.html Glycolipids and Cerebrosides: Glycolipids are complex lipids that contain carbohydrates. Cerebrosides are an example which contain the sphingosine backbone attached to a fatty acid and a carbohydrate. The carbohydrates are most often glucose or galactose. Those that contain several carbohydrates are called gangliosides. The example on the left is shown with glucose. Glucocerebroside has the specific function to be in the cell membranes of macrophages, (cells that protect the body by destroying foreign microorganisms. Galactocerebroside is found almost exclusively in the membranes of brain cells. There are several genetic diseases resulting from the absence of specific enzymes which breakdown the glycolipids. Tay Sachs, which mainly effects Jewish children, results in a build up of gangliosides and result in death in several years. Gaucher's disease results in the excessive build up of glucocerebroside resulting in severe anemia and enlarged liver and spleen. 8
Principali classi di glicosfingolipidi (1) Cerebrosidi: hanno un unico zucchero (di solito il galattosio) legato al ceramide. I cerebrosidi aumentano nella malattia di Krabbe a causa della mancanza dell enzima lisosomiale galattosidasi. Sulfatidi: sono esteri solforici dei galattocerebrosidi. Costituiscono fino al 15% della materia bianca del cervello. I solfatidi si accumulano nel cervello nel corso della leucodistrofia metacromatica a causa di mancanza dell enzima degradativo solfatasi. Principali classi di glicosfingolipidi (2) Globosidi: sono ceramide oligosaccaridi neutri, in cui gli zuccheri sono di solito galattosio, glucosio o N acetilgalattosamina. Un globoside importante é il ceramide triesosido che si accumula nel rene di pazienti con la malattia di Fabry a causa di mancanza dell enzima lisosomiale galattosidasi A. Gangliosidi: sono glicosfingolipidi acidi e contengono acido N acetilneuramico (noto anche come acido sialico o NANA). Sono concentrati nelle estremità nervose e costituiscono fino a 5 10% della massa lipidica totale delle cellule nervose. I gangliosidi più comuni sono G M1, G D1a, G D1b, G T1b. Il G M1 è un componente delle cellule della mucosa intestinale e si può legare alla subunità ß della tossina del colera, provocando un aumento dell camp, del trasporto degli ioni cloro, e una grave diarrea. Il G M2 aumenta nella malattia di Tay Sachs a causa di una carenza della ß hexosaminidase A. Ruolo degli sfingolipidi Prottetivo: ad es. sulla superficie apicale delle cellule epiteliali per proteggerle dal basso ph o dalla digestione enzimatica. Trasmissione elettrica: in particolare i gangliosidi che acquisiscono cariche elettriche dopo una campo elettrico nella cellula nervosa. Isolanti elettrici Riconoscimento cellula cellula: ad es. recettori di tipo sfingolipidi sui neutrofili si legano alla P selettina sulle cellule endoteliali. http://alexandria.healthlibrary.ca/documents/notes/bom/unit_1/l-31%20complex%20lipids.xml Struttura delle membrane van Meer, G. et al. J Cell Sci 2011;124:5-8 http://en.wikibooks.org/wiki/biochemistry/lipids_and_the_plasma_membrane 9
Doppio strato lipidico («bilayer») http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21583/figure/a1152/ Giunzione fra due cellule Struttura trilaminare delle due membrane cellulari. Gartner, Istologia Nell ambito di ogni foglietto, i (fosfo)lipidi hanno libertà di movimento 10
Nella membrana plasmatica la distribuzione dei (fosfo)lipidi è assimmetica Il movimento da un foglietto all altro («flip flop») è difficoltato dal carattere anfipatico del lipide e ha bassa probabilità di avvenire. Può essere facilitato da appositi enzimi «flippasi») Assimmetria della membrana IMPORTANZA BIOLOGICA DELL ASSIMMETRIA DEI LIPIDI DELLE MEMBRANE (1) Le composizioni dei due monostrati del bilayer lipidico sono marcatamente diverse. Es: nella membrana degli eritrociti umani, quasi tutte le molecole lipidiche che hanno la colina (CH 3 ) 3 N + CH 2 CH 2 OH nel loro gruppo di testa (fosfatidilcolina e sfingomielina) si trovano nel foglietto esterno, mentre quasi tutte le molecole di fosfolipidi che contengono un aminogruppo terminale primario (fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) si trovano nel monostrato interno. Poichè la fosfatidilserina carica negativamente è localizzata nel monostrato interno, vi è una significativa differenza di cariche fra le due metà del doppio strato: Importanza dell assimmetria (2) L assimmetria dei lipidi è funzionalmente importante. Molte proteine del citosol si legano a specifici gruppi di testa di lipidi presenti sul monostrato citosolico del bilayer lipidico. Ad es., l enzima proteina chinasi C (PKC) viene attivata in risposta a diversi segnali extracellulari. La PKC si lega alla faccia citosolica della membrana plasmatica, dove è concentrata la fosfatidilserina, e richiede questo fosfolipide carico negativamente per la sua attività. 11
Importanza dell assimmetria (3) In altri casi, il gruppo di testa dei lipidi deve essere prima modificato in modo da creare siti di aggancio per le proteine in un posto e momento determinati. Ad esempio, il fosfatidilinositolo, che è un fosfolipide poco rappresentato, concentrato nel monostrato citosolico delle membrane cellulari. Diverse chinasi dei lipidi possono legare gruppi fosfato in posizioni distinte dell anello di inositolo. Gli inositolo fosfolipidi fosforilati a questo punto fungono come siti di legame che reclutano proteine specifiche dal citosol fino alla membrana. Importanza dell assimmetria (4) Un importante esempio di chinasi dei lipidi è la fosfatidilinositolo chinasi (PI 3 chinasi), che è attivata in risposta a segnali extracellulari ed aiuta a reclutare specifiche proteine di segnalamento fino alla faccia citosolica della membrana plasmatica. Proteina chinasi simili fosforilano gli inositolfosfolipidi delle membrane intracellulari e quindi aiutano a reclutare proteine che guidano il trasporto di membrana. I fosfolipidi della membrana plasmatica sono usati anche in un altro modo nella risposta ai senali extracellulari. La membrana plasmatica contiene diverse fosfolipasi che sono attivate da segnali extracellulari per scindere molecole di fosfolipidi specifiche, generando frammenti di queste molecole che fungono da mediatori intracellulari a corta vita. Ad esempio, la fosfolipasi C, scinde un inositolo fosfolipide del monostrato citosolico della membrana plasmatica per generare due frammenti, uno dei quali rimane nella membrana ed aiuta ad attivare la proteina chinasi C, mentre l altro è rilasciato nel citosol dove stimola il rilascio di Ca 2 + dal reticolo endoplasmatico. Importanza dell assimmetria (5) Gli animali sfruttano l assimmetria dei fosfolipidi delle membrane plasmatiche per distinguere fra cellule vive e cellule morte. Quando una cellula animale subisce la morte cellulare programmata, o apoptosi, la fosfatidilserina, che normalmente è confinata nel monostrato citosolico della membrana plasmatica, viene rapidamente traslocata al monostrato extracellulare. La fosfatidilserina esposta sulla superficie cellulare serve di segnale per indurre le cellule vicine, come ad esempio i macrofagi, a fagocitare la cellula morta e a digerirla. La traslocazione della fosfatidilserina nelle cellule apoptotiche ha luogo mediante due meccanismi: Il traslocatore di fosfolipidi che normalamente trasporta i lipidi dal monostrato non citosolico al monostrato citosolico viene inattivato. Una scramblase che trasferisce i fosfolipidi non specificamente in entrambe le direzioni fra i due monostrati viene attivata. http://www.roche applied science.com/sis/apoptosis/images/products/annexin01.gif La cellula come condensatore elettrico Il doppio strato fosfolipidico è un isolante quasi perfetto Esso può separare le cariche elettriche fra l interno e l esterno della cellula: la membrana funziona come un condensatore elettrico Le proprietà capacitive della membrana creano una differenza di distribuzione di cariche che porta allo stabilimento di un potenziale di membrana: Il numero di cariche negative è maggiore all interno della cellula La membrana plasmatica è polarizzata: ha una distribuzione di ioni e di molecole con carica elettrica diversa nei due lati. Le cellule eccitabili possono scaricarsi in quanto hanno pori attraverso i quali gli ioni possono passare: canali ionici gated 12
Membrana plasmatico modello del mosaico fluido Modello del mosaico fluido Le molecole biologiche consistono di proteine inserite in un doppio strato lipidico. Le proteine integrali di membrana sono inserite nella membrana, di solito tramite regioni ad α elica con 20 25 aminoacidi idrofobici. Alcune proteine transmembrana attraversano la membrana solo una volta, altre hanno diverse regioni che attraversano la membrana. Altre proteine sono ancorate alla membrana mediante lipidi che sono legati covalentemente alla catena polipeptidica. Queste proteine possono essere ancorate alla faccia extracellulare della membrana plasmatica mediante glicolipidi e alla faccia citosolica mediante acidi grassi o gruppi prenilici. Le proteine periferiche non sono inserite nella membrana ma sono attaccate mediante interazioni con proteine integrali di membrana. Spessore membrana: 5 8 nm (50 80 Å) Membrane PROTEINE DI MEMBRANA Amminoacidi CATEGORIE 13
Ionizzazione degli AA polari previsti di carica Polari carichi (1) Ac. glutammico A ph fisiologico praticamente tutti i residui di ac. glutammico sono carichi negativamente A ph fisiologico praticamente tutti i residui di lisina sono carichi positivamente Lisina Aminoacidi polari carichi basici Aminoacidi polari carichi acidi Polari ma privi di carica Polari privi di carica (2) 14
Non Polari (Idrofobici) (1) Non Polari (Idrofobici) (2) Catene laterali con proprietà particolari Ponti disulfuro (S-S) tra residui di cisteina CISTEINA: Sebbene la catena laterale abbia un carattere polare non carico, ha la particolarità di costitutire un legame covalente con un altra cisteina, per formare ponti disolfuro (S S), che irrigidiscono la catena. GLICINA: la catena laterale è formata solo da un atomo di H e può adattarsi sia ad un ambiente idrofilo che idrofobico. Spesso si trova in siti dove due polipeptidi sono a stretto contatto PROLINA. Sebbene la catena laterale abbia carattere polare non carico, ha la particolarità di creare snodi nelle catene polipeptidiche ed interrompere la struttura secondaria ordinata Questi legami incrociati possono collegare sia due parti della stessa catena polipeptidica che due catene polipeptidiche diverse. Poiché l energia necessaria per rompere un legame covalente è molto superiore all energia necessaria per rompere persino un intero insieme di legami non covalenti, un legame disulfuro può avere un effetto stabilizzante notevole in una proteina. FORMAZIONE DI PONTI S-S NELLE PROTEINE Tipica proteina con diversi legami S S (1) Tipica proteina transmembrana a passaggio singolo single-pass. Si noti che la catena lipidica attraversa il doppio strato lipidico come α-elica destrogira e che le catene oligosaccaridiche e i legami disolfuro sono tutti sulla superficie non citosolica della membrana. I legami disolfuro non si formano fra i gruppi sulfidrilici nel dominio citoplasmatico della proteina, perchè l ambiente riducente del citosol mantiene questi gruppi nella loro forma ridotta (-SH). 15
Tipica proteina con diversi legami S S (2) Una molecola di anticorpo. (A) Una tipica molecola di anticorpo ha la forma a Y e ha due siti di legame identici per il suo antigene, uno in ciascuna delle braccia della Y. La proteina è composta da quattro catene polipeptidiche (due catene pesanti identiche e due catene leggere identiche e più piccole) tenute insieme da legami disulfuro. Ogni catena è fatta da diversi domini di tipo immunoglobulina, qui ombreggiati sia in azzurro che in grigio. Il sito di legame con l antigene si forma laddove un dominio variabile della catena pesante (V H ) e un dominio variabile della catena leggera (V L ) vengono a contatto. Questi sono i domini che differiscono di più in sequenza e struttura nei diversi anticorpi. Amminoacidi LEGAME PEPTIDICO Formazione del legame peptidico (1) Formazione del legame peptidico (2) (A)I legami peptidici si formano fra il gruppo NH 2 di un aminoacido e il gruppo COOH di un altro, con la formazione e perdita di una molecola di acqua. R n, catena laterale dell aminoacido. (B) Una proteina ha un impalcatura polipeptidica con diversi gruppi laterali degli aminoacidi H. Kreuzer & A. Massey: Biology and Biotechnology: Science, Applications and Issues ASM Press, Washington, D.C., 2005. 16
Proteine di membrana Proteine di membrana http://www.nfsdsystems.com/w3bio315/; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28193/figure/a105/?report=objectonly IMPORTANZA DEI PONTI DI IDROGENO PER LA FORMAZIONE DI UN ELICA E DI ALTRE STRUTTURE ORDINATE Una elica si forma quando una serie di subunità si legano una all altra in modo regolare α elica (1) α elica (2) 17
α elica (3) β foglietto (1) β foglietto (2) β foglietto (3) Note sul ripiegamento delle proteine (1) Note sul ripiegamento delle proteine (2) L acqua contiene due legami polari ossigeno idrogeno ed è una molecola estremamente polare. Perciò si associa confortevolmente con altre molecole polari o cariche elettricamente. Per questa ragione, le molecole che sono elettrostaticamente cariche o polari sono IDROFILICHE. Poichè le molecole non polari non si associano confortevolmente con l acqua, esse sono IDROFOBICHE. Le catene laterali idrofobiche (non polari) degli amminoacidi non si associano stabilmente con il fluido intracellulare (o extracellulare). Viceversa, le catene laterali idrofiliche degli amminoacidi (cariche o polari) si possono associare stabilmente con il fluido perchè le loro cariche, o cariche parziali possono essere neutralizzate dalle cariche parziali complementari delle molecole polari dell acqua. Una regola basilare che determina la struttura delle proteine in ambiente acquoso è, per quanto possibile, il ripiegamento dei gruppi laterali idrofobici concentrandoli all interno della proteina, così creando un ambiente idrofobico privo di acqua. Le catene laterali idrofiliche sono invece stabili quando esposte al citoplasma sulla superficie della proteina. 18
Note sul ripiegamento delle proteine (3) Si dice perciò che una proteina in un ambiente acquoso contiene una zona centrale ( core ; nocciolo) idrofobica e stabile. La struttura tridimensionale di ogni singola proteina (STRUTTURA TERZIARIA) può essere vista come la migliore soluzione al problema di creare la zona centrale idrofobica per ogni struttura primaria. Questo presenta un ulteriore problema: l impalcatura/asse comune (sequenza di legami peptidici) contiene un gran numero di legami NH e CO, che sono altamente polari. Note sul ripiegamento delle proteine (4) Alla superficie della proteina questi legami parzialmente carichi possono essere prontamente neutralizzati mediante legami di idrogeno con l acqua. Tuttavia, perchè una struttura proteica sia stabile le cariche parziali dell impalcatura polipeptidica debbono essere neutralizzate anche all interno della proteina, dove l acqua non è presente. Struttura terziaria Struttura terziaria Struttura terziaria 19
I domini transmembrana delle proteine integrali di membrane sono predominantemente delle eliche α Questa struttura induce le catene laterali degli aminoacidi a proiettarsi radialmente. Quando diverse eliche α sono impacchettate strettamente le loro catene laterali possono essere interconnette oppure costrizioni stereochimiche possono provocare la formazione di canali all interno delle catene. I residui che si proiettano all esterno devono essere predominantemente idrofobici per interagire con le catene di acidi grassi dei bilayers lipidici. Il bilayer ha uno spessore di circa 3 nm. Ogni residuo peptidico si stnede all interno dell α elica per 1.5 Å. Perciò, nonostante modificazioni locali del bilayer o interazioni con altri polipeptidi di membrana possano alterare questo requisito, i segmenti transmembrana di solito richiedono circa 20 residui aminoacidici per attraversare totalmente il bilayer. Le proteine integrali di membrana sono caratterizzate dalla presenza di segmenti idrofobici con spprossimativamente questa lunghezza. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28193/figure/a103/?report=objectonly Nella maggior parte delle proteine transmembrana la catena polipeptidica attraversa il doppio strato lipidico in conformazione ad α elica (1) Una proteina transmembrana ha sempre un orientamento caratteristico nella membrana. Questo riflette il modo asimmetrico con cui è sintetizzato ed inserito nel doppio strato nel Reticolo Endoplasmatico ruvido e le diverse funzioni dei suoi domini citosolici e non citosolici. Questi domini sono separati da segmenti della catena polipeptidica che attraversano la membrana e che sono in contatto con l ambiente idrofobico del doppio strato lipidico e sono composti in gran parte di reisdui di aminoacidi con catene laterali non polari. Proteine transmembrana (2) Poichè i legami peptidici stessi sono polari e dato che l acqua è assente, tutti i legami peptidici nell ambito del doppio strato sono portati a formare legami di idrogeno gli uni con gli altri. Il legame di idrogeno fra i legami peptidici viene massimizzato se la catena polipeptidica forma una α elica regolare nell attraversamento; si ritiene che sia in questo modo che la grande maggioranza dei segmenti che attraversano la membrana delle catene polipeptidiche attraversino il doppio strato. 20
ma anche i β foglietti si adattano all attraversamento della membrana α eliche transmembrana Proteine ancorate alla membrana da lipidi Associazione proteine con lipidi di membrana Alcune proteine citosoliche hanno domini che si legano alle teste polari di lipidi che occorrono transientemente nella membrana. Gli enzimi che creano o degradano questi lipidi sono soggetti a regolazione mediata da segnali, fornendo un meccanismo per modulare l affinità di una proteina verso la superficie di una membrana: Ad es. i domini pleckstrin homology, (PH) sono in grado di legare il fosfatidilinosiltolo. Alcuni domini PH si legano al PIP2 (PI 4,5 P2). Altri domini PH riconoscono e si legano a derivati del foafatidilinositolo con gruppi P i esterificati con il gruppo 3 OH dell inositolo. ES: PI 3 P, PI 3,4 P2, e PI 3,4,5 P3. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk9898/figure/a1979/?report=objectonly http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/mbweb/mb1/part2/lipid.htm#animat1 Le associazioni alla membrana possono aver luogo mediante legame selettivo delle proteine a gruppi polari della testa dei lipidi Un esempio è la spettrina, che si lega al fosfatidilinositolo 4,5 bisfosfato rivolto verso il citoplasma mediante un dominio pleckstrin homology, (PH). Diversi enzimi e proteine strutturali si legano alla membrana in seguito ad attivazione da Ca 2+. Es: proteina chinasi C (PKC), fosfolipasi A 2 e sinaptotagmina. Una regolazione allosterica dell idrofobicità delle superficie di legame delle proteine ha spesso luogo. Uno dei casi meglio noti è il legame Ca 2+ dipendente della calmodulina ad altre proteine. Le annessine sono una famiglia di proteine che formano associazioni Ca 2+ dipendenti con la membrana cellulare mediante interazione diretta con fosfolipidi; vice versa, le interazioni con i fosfolipidi aumentano la loro affinità verso il Ca 2+. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28193/ http://www.geneticaebiologia.unito.it/membrana/globulo_rosso.jpg spettrina http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28193/table/a109/?report=objectonly 21
Catene idrocarburiche legate covalentemente ancorano alcune proteine alla membrana Glicosilfosfatidil inositolo (GPI) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21570/#a611 Ancore lipidiche (a) Alcune proteine si legano alla membrana mediante un ancora lipidica legata covalentemente, che si inserisce nel bilayer. Una proteina può legarsi al versante citosolico della membrana plasmatica mediante un acido grasso legato covalentemente (ad es. palmitato o miristato) oppure un gruppo isoprenoide. Il palmitato di solito si collega mediante un legame tioestere al gruppo SH di un residuo di cisteina. Una proteine potrebbe essere rilasciat dalla membrana mediante idrolisi del legame esterico depalmitoilazione. Un gruppo isoprenoide come un residuo farnesilico, è legato ad alcune proteine mediante un legame tioesterico ad un gruppo tiolico di una cisteina. Ancore lipidiche (b) Il miristato può essere aggiunto cotraduzionalmente alla glicina N terminale di un gran numero di proteine periferiche, participando perciò al loro legame con la superficie citoplasmatica della membrane. La subunità catalitica della protein chinasi c AMP dipendente, la calcineurina B la NADH citocromo b5 reduttasi sono proteine miristoilate. Gli acidi grassi, soprattutto il palmitato, possono legarsi sotto forma di tioesteri ad un residuo di cisteina che di solito è localizzato vicino ad un dominio di legame con la membrana. Sia proteine integrali di membrana (es. rodopsina o recettore per la transferrina) e proteine associate alla membrana (es. anchirina e vinculina) possono essere acilate. Un gran numero di proteine può essere prenilata post traduzionalmente. Una via biosintetica per le proteine prenilate coinvolge proteine precursore con una sequenza C terminale CXXX (C: cisteina). Un gruppo C20 di un geranilgeranil pirofosfato viene aggiunto al gruppo sulfidrilico della cisteina. I tre AA terminali vengono ins eguito rescissi e infine un gruppo metilico viene aggiunto al gruppo cisteina α carbossile esposto. Le proteine prenilate includono diversi trasduttori di segnale della classe delle piccole proteine G e subunità γ di proteine G trimeriche. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk28193/ 22
Ancore lipidiche (c) I glicosilfosfatidil inositoli (GPI) sono glicolipidi complessi che si legano ad alcune proteine presenti sulla superficie esterna della membrana plasmatica. Il loro legame è simile a quello indicato sotto, nonostante la composizione dell oligosaccaride possa variare: Proteina (C terminale) fosfoetanolamina mannosio mannosio mannosio N acetilglucosamina inositolo (di fosfatidilinositolo inserito nella membrana) La proteina è ancorata ad una certa distanza all esterno della membrana dalla lunga catena oligosaccaridica. Le proteine legate a GPI possono essere rilasciate dalla superficie esterna delle cellula dalle fosfolipasi. Ancore lipidiche (d) Le proteine possono essere ancorate al foglietto esterno mediante legame covalente con fosfoinositidi glicosilati complessi. Le proteine ancorate a glicosilfosfatidilinositolo (GPI) includono la fosfatasi alcalina, la 5 -nucleotidasi, un isoforma dell acetilcolinesterasi e un isoforma della N-CAM. 23