Struttura terziaria
α -Elica
Foglietto β
Nella maggior parte delle proteine le catene di aminoacidi (siano esse
organizzati ad α-elica che foglietto β) si ripiegano a gomitolo dando così
alla proteina una forma globulare
Struttura terziaria delle proteine
I ripiegamenti della catena fanno sì che le catene laterali R
dei residui amminoacidici possano interagire fra loro
formando legami (deboli o forti) che contribuiscono a
stabilizzare la conformazione 3D della proteina.
(
)44
legami idrogeno
legami ionici
ponti disolfurici
interazioni
idrofobiche
forze di Van der
Waals
La struttura terziaria dipende dalla struttura primaria.
PONTI DISOLFURICI
Oltre al legame peptidico, un altro tipo di legame covalente fra gli
amminoacidi presenti nei peptidi e nelle proteine è il legame
disolfuro che collega due unità di cisteina.
[O]
[Rid]
CISTEINA
CISTINA
Comprendere il processo di FOLDING delle proteine,
ovvero il meccanismo di ripiegamento grazie al quale
queste molecole raggiungono la conformazione più
stabile termodinamicamente e biologicamente attiva.
Il “folding” di una proteina è il risultato di grandi variazioni
entalpiche ed entropiche
-
0
+
ΔG = ΔH - TΔS
Denaturazione
Se sottoponiamo una proteina a valori di pH o temperatura molto
diversi da quelli normali, la proteina perde la conformazione nativa e
perde la sua funzione.
Così è stato dimostrato che una proteina possiede nella struttura
primaria le istruzioni che deve seguire per ripiegarsi nella sua
struttura tridimensionale finale.
la sequenza determina la struttura,
che determina la funzione
Le Proteine “conoscono” il loro ruolo e
“sanno” come organizzare la loro
architettura molecolare.
L’informazione è contenuta nella sequenza
degli amminoacidi che è stabilita dal tratto
di DNA (gene) il quale contiene il “progetto”
di ogni specifica proteina.
Molte malattie sono dovute al difettoso
ripiegamento (FOLDING) di una proteina
A. Alcune patologie derivano da proteine che non sono in
grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che
tendono a formare grossi aggregati (fibrille o forme
amiloidi): Alzheimer, encefalopatia spongiforme.
B. In altri casi mutazioni del gene generano proteine
incomplete che non sono più in grado di svolgere la loro
funzione perché incapaci di legare i loro substrati: fibrosi
cistica, distrofia muscolare
L'encefalopatia spongiforme bovina
(Bse) è una malattia neurologica
degenerativa che colpisce i bovini
E’ causata dall’alterazione
proteina, il Prione.
Pr = proteica ;
i = infettiva ;
one = particella
di
una
Il prione
1984 Stanley Prusiner
Per anni il prione è stato considerato
erroneamente un virus
Si trova in tutti gli organi,
principalmente sulla membrana dei
neuroni
Il suo ruolo è quello di
coadiuvare la trasmissione
dei segnali tra le cellule
nervose
La conversione da PrPc a PrPSc procede poi con una reazione a catena.
Quando viene raggiunta una concentrazione sufficiente di proteine
PrPSc, queste si aggregano a formare un lungo filamento che
gradualmente danneggia il tessuto neuronale.
Una volta mutata la proteina è infettiva:
a contatto con la forma normale, la
trasforma, rendendola patologica
I prioni alterati sono molto resistenti:
al calore
ai disinfettanti
alle proteasi
Il salto di specie
La Bse tra i bovini nasce,
probabilmente, dall'uso di
carcasse di animali infetti
(pecore) per farne mangimi.
NvCJ
Farine animali
Scrapie
Le pecore non sembrano
trasmettere la malattia
direttamente all’uomo
Bse
I prioni dei bovini
sono in grado di
infettare l’uomo
STRUTTURA QUATERNARIA
Le interazioni che si stabiliscono tra le subunità sono dello stesso tipo di
quelle che stabilizzano le strutture terziarie: legami idrogeno, interazioni
idrofobiche, ponti disolfurici tra i gruppi R dei residui amminoacidici.
Collageno
Trp-sintasi
Emoglobina
Actina-miosina
Struttura quaternaria (3D) dell’Emoglobina
50 x 55 x 65 Ǻ
Quattro subunità disposte ai
vertici di un tetraedro
12 (o 21) e 11 (o 22)
(interazioni idrofobiche, legami idrogeno,
coppie ioniche);
11, 22 (interazioni polari).
LA DISTROFIA MUSCOLARE
La più diffusa è la malattia di Duchenne che si
trasmette attraverso il cromosoma sessuale X, dalla
madre ai figli maschi; le figlie femmine invece
possono essere portatrici sane.
LA DISTROFIA MUSCOLARE
La distrofina, una proteina cruciale per la vita e la funzione dei muscoli
La distrofina stabilizza la membrana
della cellula muscolare durante i cicli
di contrazione-rilassamento
La malattia è dovuta alla mancanza della
distrofina per un difetto del gene che
codifica la proteina
(anomalo codone di stop).
LA DISTROFIA MUSCOLARE
Degenerazione del tessuto muscolare
sostituito da tessuto fibroso e adiposo.
Progressiva perdita di forza muscolare
con conseguente progressiva perdita delle
abilità motorie.
Insufficienza respiratoria e cardiaca
Morbo di Alzheimer
1906 Alois Alzheimer descrisse per
primo tale malattia definendola “un
processo degenerativo che distrugge
progressivamente le cellule cerebrali,
rendendo a poco a poco l’individuo che
ne è affetto incapace di una vita
normale"
MECCANISMO DEL
PROCESSO DI DEGENERAZIONE
I neuroni cominciano a produrre una proteina (βamiloide),
con
formazione
di
placche
(agglomerato di filamenti proteici). Iniziano così
una serie di eventi programmati che portano alla
morte del neurone (“Suicidio programmato”)
L’App (precursore della proteina amiloide)
normalmente serve per il normale funzionamento
dei neuroni.
Fibrosi cistica
Malattia autosomica recessiva grave più comune nella popolazione italiana
malati 1/3000
portatori 1/28
Difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni
cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: Cystic Fibrosis Transmembrane
Conductance Regulator, 1480 amminoacidi). La mutazione più comune è
la delezione di un amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si
avvolge correttamente.
Le manifestazioni
cliniche della malattia
sono caratterizzate dalla
presenza di secrezioni
esocrine mucose dense
che portano a una
malattia polmonare
cronica ostruttiva con
evoluzione verso
l’insufficienza respiratoria
Esempi di proteine fibrose.
Funzioni e Meccanismi.
…LA CONTRAZIONE MUSCOLARE
Muscolo striato: la contrazione si basa sulla struttura del
sarcomero, in cui i filamenti di actina e di miosina si
intercalano e scivolano gli uni sugli altri. TEORIA DELLO
SCORRIMENTO DEI FILAMENTI
ACTINA
MIOSINA
SARCOMERO: unità funzionale del muscolo
ACTINA
L’actina è presente in tutte le cellule eucariotiche, dove
rappresenta il 5% delle proteine cellulari.
I microfilamenti, con un diametro
di 7 nm, sono polimeri della
proteina actina: servono alla
struttura della cellula ed al
movimento.
ACTINA
Le singole molecole di actina si chiamano actina G
(actina globulare). In condizioni adeguate, le molecole
di actina G polimerizzano a formare i microfilamenti;
sotto questa forma, l'actina è chiamata actina F
(actina filamentosa)
Actina G
Actina F
MIOSINA
La miosina è composta da
sei catene polipeptidiche:
due catene pesanti e due
coppie di catene leggere.
La testa ha attività ATPasica
e motrice. Controlla la
contrazione muscolare, la
contrattilità nelle fibre da
stress e l’anello contrattile
durante la citochinesi.
INTERAZIONE ACTINA-MIOSINA
I PONTI TRASVERSALI
sono formati da legami
tra l’actina F dei
filamenti sottili e le
teste di miosina dei
filamenti spessi
Ogni testa della
miosina presente sul
filamento va incontro a
ripetuti cicli di legame
alle subunità di actina
sul filamento sottile;
subisce un
cambiamento
conformazionale che
richiede energia.
La contrazione è controllata dall’ATP e dalla presenza degli ioni calcio
La forza che guida la formazione dei ponti trasversi è
l’idrolisi dell’ATP, catalizzata da un’ATPasi attivata
dall’actina, localizzata nella testa della miosina.
Una testa di miosina non
legata ad ATP si ancora
saldamente
all’actina
(rigor): stadio breve a cui
segue il legame dell’ATP.
Quando l’ATP si lega alla
testa
di
miosina,
l’associazione
actinamiosina si rompe
La miosina idrolizza l’ATP: la
testa di miosina cambia
“posizione” rispetto al resto
della molecola
La miosina si riattacca
debolmente ad un altro
monomero di actina, rilascia
Pi e questo fa aumentare la
sua affinita’ per l’actina
Il legame genera un
cambiamento conformazionale
che sposta la coda della
miosina verso il centro del
sarcomero
Fine del ciclo: si stacca
l’ ADP e la testa di
miosina si ancora di
nuovo
saldamente
all’actina (rigor) in una
posizione diversa sul
filamento di actina.
La contrazione muscolare richiede tanta energia, e il muscolo scheletrico
contiene tanto ATP, che viene prodotto dai mitocondri durante i periodi di
riposo. Nel sarcoplasma vi sono anche abbondanti riserve lipidiche e di
glicogeno. Se le riserve di ATP finiscono durante I periodi di contrazione
prolungata, l’ADP generata dall’idrolisi dell’ATP viene riconvertito in ATP
attraverso glicolisi anerobica, che porta all’accumulo di acido lattico.
REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE
DA PARTE DEGLI IONI CALCIO
Il sito di legame della miosina sul filamento di actina è
normalmente mascherato dalla tropomiosina, che deve
essere rimossa per permettere l’attacco della miosina.
La dipendenza dal calcio è regolata dalla troponina C (TnC),
che si associa agli ioni calcio ed, una volta legata, va
incontro ad un cambiamento conformazionale che si
trasmette alla tropomiosina, inducendola a muoversi verso il
centro dell’elica del filamento sottile.
In questo modo i siti di legame sull’actina si rendono
disponibili al legame con la testa della miosina, permettendo
la contrazione.
Le cheratine sono un esempio di come la
funzione biologica di una proteina riflette la struttura
delle catene polipeptidiche
Collageno
Un altro esempio di come la
funzione biologica di una proteina rifletta la sua
struttura
Responsabile di un’elevata resistenza allo stiramento
Sezione di una molecola di
tropocollageno
OH
H
2
idrossiprolina
