Proteine
Struttura e funzione delle proteine
• Le cellule viventi contengono un corredo
estremamente diversificato di molecole
proteiche, ciascuna costituita da una catena
lineare di aminoacidi uniti da legami covalenti.
• Ogni tipo di proteina ha una sequenza
aminoacidica unica che determina sia la sua
forma tridimensionale che la sua attività
biologica.
• La lunghezza varia da 30 a 10000 aminoacidi ma per lo più sta tra 50 e 2000
• Le proteine si dispongono nella conformazione di energia libera minima
• E questa conformazione è STABILE
• Le proteine si dispongono nella conformazione di energia libera minima
• E questa conformazione è STABILE: eccezione proteine aggreganti
• Proteina prionica
• Alfa sinucleina
• APP
La struttura delle proteine
• Struttura primaria = sequenza
aminoacidica
• Struttura secondaria = elica α, piano β
• Struttura terziaria = elica α, piano β,
avvolgimenti caotici, anse o pieghe tra l’Ne il C- terminale
• Struttura quaternaria = più catene
polipetidiche
• Le strutture secondarie, terziarie, quaternarie si realizzano
mediante una specifica conformazione che le proteine
possono assumere attraverso legami deboli non covalenti
(van der Waals, ponti idrogeno, attrazioni elettrostatiche
legami ionici ecc)
• Amminoacidi apolari e idrofobici saranno interni alla
struttura mentre quelli polari esposti al mezzo acquoso per
formare legami idrogeno per es.
• Altri amminoacidi polari all’interno della molecola creano
legami con altri all’interno
Struttura e funzione delle proteine
STRUTTURA PRIMARIA à SECONDARIA
• La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si
stabilizza tramite interazioni non covalenti che si
instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica.
• Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura
polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e
ripetitive, note come elica α e piano β.
• Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni
limitate di forma globulare compatta, note come domini
proteici.
• H2O costituisce il 70% del peso corporeo
• La maggior parte delle reazioni avviene in acqua
• La vita dipende dalle proprietà dell’acqua
• Senza i legami idrogeno tra molecole di H2O non esisterebbe la vita
Struttura e funzione delle proteine
• La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si
stabilizza tramite interazioni non covalenti che si
instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica.
• Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura
polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e
ripetitive, note come elica α e piano β.
• Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni
limitate di forma globulare compatta, note come domini
proteici.
α -elica
L’N-H di ogni legame
peptidico stabilisce un
legame idrogeno con il C=O
di un legame peptidico vicino
• piano-β
• I singoli tratti delle catene
polipeptidiche della struttura
sono tenuti insieme da
legami idrogeno che si
stabiliscono tra legami
peptidici dei vari tratti
• La spirale è una forma diffusa
• nelle strutture biologiche
• Esempio proteine TRANSMEMBRANA= parte idrofobica ESTERNA
• La spirale è un elemento
frequente che ricorre (un giro
completo della spirale è composto
da 3,6 aminoacidi)
• Il lato idrofobico delle catene
aminoacidiche ESTERNO
APOLARE che formano l’elica-α
va a contatto con le molecole
fosfolipidiche mentre le parti
idrofiliche della molecola formano
legami idrogeno all’interno della
spirale
• Esempio proteine CITOPLASMA= parte idrofilica ESTERNA
• Spirale ritorta: aminoacidi non polari in a e d
• Le due eliche possono avvolgersi un una elica
• Catene apolari che interagiscono lasciando le catene
laterali idrofiliche esterne per reagire con l’acqua
• La freccia punta verso il C terminale
• Anti-parallelo
• Parallelo
Struttura e funzione delle proteine
• La struttura di una proteina ripiegata su se stessa si
stabilizza tramite interazioni non covalenti che si
instaurano tra parti diverse della catena polipeptidica.
• Legami idrogeno tra regioni contigue dell'ossatura
polipeptidica possono dare origine a disposizioni regolari e
ripetitive, note come elica α e piano β.
• Nella struttura di molte proteine sono individuabili regioni
limitate di forma globulare compatta, note come domini
proteici.
STRUTTURA SECONDARIA à TERZIARIA
• Elementi di struttura secondaria come le elica α, piano β, si compattano in
strutture terziarie di forma globulare stabili ed indipendenti denominate domini, le
proteine hanno solitamente uno o più domini
• Due domini tenuti
insieme da parti non
strutturate della
proteina, flessibili
• Per un peptide lungo n aminoacidi sono possibili 20n combinazioni diverse
• Con 300 aminoacidi (lunghezza proteina tipica) si potrebbe fare teoricamente
20300 (10390) catene polipetidiche strutturalmente diverse ma solo una piccola
frazione assume una conformazione stabile
STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA
• Molte proteine contengono copie multiple della stessa subunità
STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA
• Alcune proteine si formano per aggregazione simmetrica di subunità di due tipi
• Emoglobina: due coppie di globina α e due coppie di globina β
• In rosso molecola di eme che lega O ogni molecola trasporta 4 molecole di O
STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA
• Le proteine possono aggregarsi in filamenti, strati o globuli
STRUTTURA TERZIARIA à QUATERNARIA
POLIMERI
• Un filamento di actina è composto di subunità proteiche identiche
• Collagene
• Elastina
• Molte proteine sono attaccate all’esterno della membrana cellulare o vengono secrete e
vanno a fare parte della matrice extracellulare; tutte queste molecole sono esposte
direttamente a condizioni ambientali extracellulari
• Per meglio mantenere la loro struttura le catene polipeptidiche di queste proteine
• spesso si stabilizzano attraverso ponti disolfuro (legami covalenti Z-Z)
• I legami covalenti Z-Z non si formano nel citosol
• perchè verrebbero idrolizzati in gruppi SH della cisteina dagli agenti riducenti
IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE
LEGANO UN LIGANDO
• Tutte le proteine legano altre molecole (ligando)
• Molti legami determinano la specificità (il igando deve combaciare bene con
la la proteina legante così aumentano i legami)
IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE
LEGANO UN LIGANDO
• A sito di legame ogni proteina interagisce con un legame specifico
• Il sito di legame consta spesso di una cavità superficiale su cui gli aminoacidi
(appartenenti a tratti della catena polipetidica distanti) si affacciano in una
conformazione particolare
IL FUNZIONAMENTO DELLE PROTEINE
LEGANO UN LIGANDO, ANTICORPI
• In azzurro parti variabili
di catene pesante e leggera
che legano antigene
Struttura e funzione delle proteine
•
La funzione biologica di una proteina dipende dalle proprietà chimiche
di zone particolari della sua superficie e dalle modalità di interazione
con molecole specifiche, dette ligandi (es. enzimi).
•
Gli enzimi sono proteine che, dopo aver legato strettamente molecole
specifiche, dette substrati, catalizzano in esse la formazione e la rottura
di legami covalenti.
•
Al sito attivo di un enzima le catene aminoacidiche laterali della
proteina avvolta su se stessa sono posizionati in maniera da favorire il
passaggio dei substrati a uno stato di transizione ad alta energia,
necessario perché si convertano in prodotti.
•
La struttura tridimensionale di molte proteine si è evoluta in modo che
l'associazione di un ligando anche piccolo può indurre una variazione
significativa nella forma della molecola.
Classi funzionali degli enzimi
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Idrolasi
Nucleasi
Proteasi
Sintetasi
Isomerasi
Polimerasi
Chinasi
Fosfatasi
Ossido-reduttasi
ATPasi
Scissione idrolitica
Degradazione acidinucleici
Degradazione proteine
Condensano due molecole
Redistribuzione legami molecola
Polimerizzaizone sintesi DNA/RNA
Aggiunta gruppi fosfato
Rimozione idrolitica gruppo fosfato
Ossidasi, reduttasi, deidrogenasi
Idrolisi ATP
• Il lisozima catalizzando un’idrolisi
recede una catena polisaccaridica
• (E = enzima; S = substrato; P = prodotto)
• Antibiotico naturale contenuto in albume uovo, lacrime,
saliva
• Scinde polisaccaridi di parete batterica e quindi patogeni
• Catalizzano cioè accelerano REAZIONI CHIMICHE basate
su rottura di legami covalenti senza che la propria
struttura sia alterata.
• Hanno una specificità di reazione. Diversi enzimi cooperano
generando substrati per altri che intervengono in seguito nelle
vie metaboliche
• La reazione non avviene spontaneamente in mezzo acquoso e
deve essere catalizzata cioè facilitata da enzima lisozima: energia
libera della catena interrotta è minore di quella integra.
• In teoria la reazione sarebbe favorita. Però affinché una molecola
d’acqua urti lo zucchero e lo rompa, esso deve essere presente in
conformazione distorta
• La distorsione richiede una dose notevole di energia che non
viene erogata dalla sola collisione dell’acqua con lo zucchero.
• Il lisozima catalizzatore ha un sito attivo che lega in modo
specifico il ligando zucchero substrato tramite legami multipli non
covalenti.
Funzione e regolazione delle proteine
• Quasi tutti gli enzimi sono proteine allosteriche che esistono in
due conformazioni diverse quanto ad attività catalitica.
• L'enzima può essere acceso o spento da ligandi che gli si
associano a un sito di regolazione distinto, stabilizzandone la
conformazione attiva o inattiva.
• L’attività di quasi tutti gli enzimi cellulari è rigorosamente
controllata.
• Altre proteine non legano substrati per modificarli in qualità di enzimi
• Esse legano altre molecole per acquisire funzioni specifiche
• Emoglobina lega con legami NON covalenti 4 molecole di eme
Molecole ad anello con al centro uno atomo di ferro
Lega OSSIGENO NEI POLMONI e rilascia IN TESSUTI
Funzione e regolazione dell’attività delle proteine
Diversi livelli di controllo:
• espressione genica
• regolazione della degradazione
• compartimentalizzazione in membrane organelli, per
es lisosomi
• regolazione più rapida data da modifica della
proteina stessa-feedback negativi e positivi o
modificazioni chimiche
• L’inibizione retroattiva regola il flusso della via biosintetica
• Il prodotto Z inibisce il primo enzima esclusivo della via biosintetica
Z si lega all’enzima in rosso
in un sito di regolazione modificando
la velocità con cui l’enzima
trasforma I substrati in prodotti
(inibizione)
• L’inibizione retroattiva a siti multipli regola reazioni metaboliche interconnesse
• Ogni aminoacido regola il primo enzima specifico per la propria sintesi
• Feedback negativi: lisina si lega all’enzima
rosso che cambia conformazione.
Il suo sito attivo non è più favorevole ad
accogliere il substrato.
Enzima rosso ha due conformazioni allosteriche:
una attiva-lega il substrato
una inattiva-lega il regolatore negativo
• Feedback positivi
Funzione e regolazione dell’attività delle proteine
Diversi livelli di controllo:
• espressione genica
• regolazione della degradazione
• compartimentalizzazione in membrane organelli, per
es lisosomi
• regolazione più rapida data da modifica della
proteina stessa-feedback negativi e positivi o
modificazioni chimiche
Fosforilazione-Acetilazione-Ubiquitilazione
Legame con molecola di GTP
• Guanosin trifosfato (GTP) è un nucleotide
• Le proteine associate al GTP si trovano in
conformazione attiva quando hanno il GTP legato
• Poi la proteina stessa idrolizza il GTP a GDP, libera
un fosfato e passa alla conformazione inattiva
• Le proteine associate al GTP sono interruttori molecolari
• La dissociazione del GDP e la sua sostituzione con GTP pone
l’interruttore su acceso, questo avviene spesso in risposta ad un segnale
ricevuto dalla cellula (proteine GTP legate fungono da segnale per
attivare a loro volta altre proteine (trasmissione del segnale)
Struttura e funzione delle proteine
• In una cellula eucariotica tipica molte migliaia di proteine sono
regolate tramite fosforilazione e defosforilazione ciclica o tramite
il legame con il GTP e la sua idrolisi ad opera di una apposita
proteina associata al GTP.
• Le proteine motrici idrolizzano l'ATP ad ADP per produrre
movimenti direzionali nella cellula.
• Gli agglomerati di proteine allosteriche capaci di fare
cambiamenti di conformazione coordinati sono macchine
proteiche efficientissime per svolgere funzioni cellulari
complesse.
1. Il nucleoside è una molecola formata da due elementi, un composto con anello
azotato (base) ed uno zucchero a cinque atomi di carbonio (ribosio o deossiribosio).
2. Un nucleoside dotato di uno o più gruppi fosfato legati allo zucchero si chiama
nucleotide.
3. Adenosintrifosfato (ATP) è un nucleotide (subunità d DNA e RNA) la cui reattività
dipende dai gruppi fosfato laterali
4. Partecipa al trasferimento di energia di centinaia di reazioni cellulari
5. Viene sintetizzato per mezzo di reazioni alimentari dall’energia che si libera nella
degradazione ossidativa delle sostanze nutritive
6. I suoi tre fosfati sono legati mediante due legami fosfoanidride la cui rottura
libera grandi quantità di energia utilizzabile
• L’idrolisi fa fare ampi movimenti alle proteine motrici, senza
idrolisi la proteina vibra ma si muove finalisticamente
• La fosforilazione è un
meccanismo diffuso per
regolare le proteine
• Le proteine che legano
covalentemente un gruppo
fosfato si modificano
• Le protein chinasi
(fosforilazione) e fosfatasi
(defosforilazione) sono gli
enzimi che regolano il legame
dei gruppi fosfato
• Ad ogni istante, un terzo delle
10000 proteine presenti in una
cellula eucariotica è fosforilata
• Trasferimento di un P (gamma) da ATP a
• catena laterale proteina di aa che portano -OH
• Ser, Thr, Tyr
• Figure 4-45 (part 1 of 2) Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
• Figure 4-45 (part 2 of 2) Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
• Figure 4-46 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
• Table 4-2 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
