2^ lezione
Proteine
COSTITUENTI DELLE PROTEINE:
AMINOACIDI
Nell’organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo
20 nelle proteine.
Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti
contemporaneamente.
CLASSIFICAZIONE:
•Funzionale: in base alla polarità della catena R
•Nutrizionale: in base alla loro essenzialità.
Trascrizione
Traduzione
Classificazione delle proteine
• In base alla funzione: ormoni, enzimi, di trasporto, di
deposito, di struttura, di difesa, etc..
• In base alla forma:
- proteine fibrose
- proteine globulari
• In base alla composizione chimica:
- proteine semplici
- proteine coniugate
Le proteine presentano diversi livelli di organizzazione
strutturale.
Le proprietà della catena aminoacidica determinano ulteriori
arrangiamenti spaziali della molecola e la mettono in condizione
di svolgere una certa funzione biologica.
• STRUTTURA PRIMARIA
• STRUTTURA SECONDARIA
• STRUTTURA TERZIARIA
• STRUTTURA QUATERNARIA
Struttura primaria
E’ data dalla sequenza degli aminoacidi che costituiscono una
catena peptidica. Ogni proteina è caratterizzata dall’avere una
specifica composizione in aminoacidi, e da un ben preciso ordine
con cui questi si susseguono lungo la catena.
La struttura primaria è determinata geneticamente: le sequenze
aminoacidiche delle proteine di un individuo si trovano depositate,
in codice, in altrettanti tratti del suo DNA, geni.
I legami peptidici sono planari
legame peptidico
Distanze fra atomi che caratterizzano il
legame peptidico
Struttura secondaria
Lunghe catene di amminoacidi si piegano (fold) o si arricciano
(curl) in una struttura regolare che si ripete.
La struttura è il risultato della formazione di legami idrogeno
tra gli amminoacidi della proteina.
Tra le strutture secondarie comuni troviamo
Le eliche alfa
I foglietti beta pieghettati
Queste strutture secondarie sono responsabili della rigidità
delle proteine,
Una comune struttura
secondaria
Proprietà dell’alfa-elica:
Resistenza e solubilità in
acqua
Proposta nel 1951 da Pauling
e Corey
Ogni idrogeno ammidico
è coinvolto in
un legame idrogeno con
il carbonile di
un altro amminoacido
Le principali strutture
secondarie di una catena
polipetidica:
α elica…
MODELLO
A
PALLE
BASTONCINI
E
a) Elica destrorsa,
b) Si evidenziano i legami
idrogeno
c) Il passo dell’elica è 5.4 Å o
3.6 residui amminoacidici
Strutture secondarie: l’α elica
MODELLO A NASTRO
…e foglietto β
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006
Come si orientano i legami negli amminoacidi?
alfa elica
beta struttura
Guardate i carbonili! Nell’alfa elica puntano
nella stessa direzione, mentre nei foglietti
pieghettati sono alternati
Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei
legami ad idrogeno,
ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet)
Ad esempio …la seta.
Le proteine della seta sono
un esempio
di foglietto pieghettato…
Sono composte
principalmente
da glicina e alanina
I legami idrogeno si formano tra segmenti adiacenti
I segmenti adiacenti possono anche essere lontani nella
sequenza amminoacidica
Le catene possono essere parallele o antiparallele
Strutture secondarie: il foglietto
beta
Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno
tra atomi di residui aminoacidici.
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Struttura terziaria
• Riguarda tutte le possibili interazioni tra i gruppi
R.
• Nessun legame covalente.
• Un’eccezione è il ponte disolfuro tra due
cisteine.
La struttura terziaria è responsabile della forma
della proteina nello spazio:
- Globulare (enzimi, mio- e emoglobina)
- Fibrosa (Fibroina, elastina, cheratina, collageno)
I residui di cisteina possono formare ponti disolfuro intra o
extra catena
Sequenza dell’insulina bovina
Classificazione generale delle
strutture terziarie
Proteine con
predominanza
di α elica
Proteine
miste
Proteine con predominanza
di β sheets
Le interazioni non covalenti che
partecipano nella definizione della
struttura delle biomolecole
Le interazioni non covalenti che partecipano nella definizione della struttura delle biomolecole
Emoglobina
collageno
La struttura quaternaria delle
proteine
La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da più catene
polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine regolatrici)
Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni nella
funzione della proteina.
Esempio: la emoglobina
La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla
conformazione della catena polipeptidica.
La struttura quaternaria è l’organizzazione di polipeptidi
in un’unica unità funzionale che consiste di più di una
subunità polipeptidica.
Rappresentazioni grafiche differenti
della stessa proteina
Degradazione Proteica Regolata
• Sistema autofagico lisosomiale
• Sistema Calpaina-Calpastatina
• Sistema Ubiquitina-Proteasoma
Modificato da: La Stampa, 7 ottobre 2004
Il premio Nobel per la Chimica 2004 è stato attribuito ai tre ricercatori che più
hanno contribuito alla scoperta della«catena di smontaggio» delle proteine: sono
l’americano Irwin Rose, Università della California, e gli israeliani Aaron
Ciechanover e Avram Hershko, entrambi dell’Institute of Technology di Haifa.
Il ruolo chiave nella demolizione delle proteine è affidato a una molecola
relativamente piccola e semplice, un polipeptide chiamato «ubiquitina» (deriva
dal latino, significa «sostanza che si trova dappertutto»).
Quando una proteina deve essere rottamata - spiegano i vincitori - riceve una
specie di bacio mortale.
A baciare la proteina da demolire è appunto l’ubiquitina, la cui scoperta risale
al 1978.
Si tratta di un bacio molto audace, perché questa molecola si lega alla proteina
da distruggere in modo indissolubile con un meccanismo del tipo chiaveserratura molto diffuso nella chimica degli organismi viventi. Ricevuto il bacio
letale, la proteina da rottamare finisce nel proteosoma, il “tritatutto” delle
cellule, che in pochissimo tempo la ridurrà in minuti pezzetti, poi eliminati o
riciclati.
In realtà l’operazione è più complessa e richiede l’intervento di tre enzimi.
Il primo, chiamato E1, attiva la molecola di ubiquitina, e questa reazione richiede
energia, liberata da una molecola di ATP.
Il secondo enzima, E2, si lega all’ubiquitina attivata e
il terzo, E3, individua l’oggetto da demolire.
Il complesso ubiquitina-E2 aderisce strettamente alla proteina ed E3 rilascia la
proteina marcata con l’ubiquitina.
L’operazione si ripete finché si apre il proteosoma, cioè il “tritatutto”, che staccando
l’ubiquitina (che sarà di nuovo disponibile per il suo lavoro), smonterà la proteina
pezzo a pezzo.
Il meccanismo è stato chiarito da Rose, Ciechanover ed Hershko nel 1983 con
esperimenti su topi transgenici.
La demolizione delle proteine è fondamentale quanto la loro costruzione:
la tripsina, ad esempio, nel nostro intestino spezza le proteine complesse del
cibo in amminoacidi, passaggio indispensabile per farci assimilare il cibo.
L’eliminazione delle proteine è essenziale anche nel ciclo riproduttivo delle
cellule, nella riparazione degli errori di copiatura del DNA e nelle reazioni del
sistema immunitario che ci difendono dalle infezioni e dalle aggressioni
dell’ambiente.
Anche in malattie come il cancro e la fibrosi cistica il ruolo dell’ubiquitina è
determinante.
Processi di demolizione di proteine alterate sono all’origine di queste
malattie, ed è per questo motivo che le scoperte compiute dai tre ricercatori
premiati con il Nobel possono aprire la strada a nuovi farmaci, in grado di
curarle alla radice.
Le proteine, per svolgere la propria funzione,
devono avere una
CONFORMAZIONE CORRETTA
MA…
Nell’ambiente cellulare esistono condizioni
che ostacolano il ripiegamento o che causano
la perdita della struttura proteica
Se ipotizziamo che una proteina di n residui debba
scegliere solo tra 3 conformazioni possibili dipendenti
solo dagli angoli di torsione φ e ψ, pari a 2n per ciascuno
e che la proteina possieda solo 3 conformazioni stabili;
allora valutando in 10-13 sec. il tempo per assumere ogni
conformazione, in una proteina con 100 residui
aminoacidici, il tempo t in sec. Sarebbe:
t = 10100
1013
Pari a 1087 sec. (età dell’universo pari a 20 miliardi di anni
cioè 1017 sec.)
Conformazione delle proteine
• Una catena polipeptidica appena sintetizzata deve
conformarsi e spesso subire modificazioni chimiche per
generare la proteina finale
• Tutti i polipeptidi con la stessa sequenza amminoacidica
assumono, in condizioni standard, la stessa conformazione
(lo stato nativo), che è la più stabile conformazione che la
molecola può assumere.
L’ informazione per il “folding” della
proteina è contenuta nella sequenza
Le proteine raggiungono la loro struttura
nativa avvalendosi dell’aiuto di tutta una serie
di molecole, che prendono il nome di
Sciaperoni Molecolari.
Gli sciaperoni molecolari promuovono la
corretta organizzazione della struttura
proteica attraverso cicli di legame e
rilascio del substrato, regolati
dall’attività di ATPasi e di vari cofattori
Le chaperonine assistono le proteine nella fase di
folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati.
Folding e misfolding delle
proteine
Le chaperonine piccole e grandi, loro
ruolo nelle patologie da misfolding
Proteine "chaperone" alterate sono responsabili
della patogenesi di malattie umane ⇒ mutazioni in
geni che codificano per proteine “chaperone” ⇒
“CHAPERONEPATIE”
Le patologie dovute ad alterazioni a carico di
proteine “chaperone” in genere colpiscono
numerosi organi ed apparati contemporaneamente,
a dimostrazione della molteplicità di ruoli svolta
da questa classe di molecole
Fattori che possono “disturbare”
il processo di ripiegamento di una
proteina nascente
Mancata sintesi contemporanea di tutti i domini
della proteina
Presenza di grande quantità di macromolecole
Esposizione di regioni che si ripiegano lentamente
o idrofobiche
Sono note due patologie genetiche causate da
mutazioni che colpiscono il dominio α-cristallino
delle proteine αA- e αB- cristallina
Mutazione (Arg)R120G(Gly) nella proteina αB-cristallina
⇒ miopatia correlata con la desmina (DRM)
Mutazione R116C(Cys) nella proteina αA-cristallina
⇒ cataratta congenita
Sedi di espressione e
funzione
Le proteine αA- e αB- cristallina sono molto
abbondanti nel cristallino, in associazione con i
filamenti intermedi
Funzione: stabilizzare i microtubuli e modulare
l’assemblaggio dei filamenti intermedi
αB-cristallina è presente anche nel muscolo
scheletrico e in quello cardiaco, nella pelle, nel
cervello e nei reni
Funzione: conferire protezione dagli stress
ossidativi, termici ed osmotici (interazione con i
filam. intermedi)
Molte malattie sono dovute al difettoso
ripiegamento di una proteina
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, Parkinson,
encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II.
In altri casi mutazioni puntiformi generano proteine che non
raggiungono la loro locazione finale o che non sono più in grado di
svolgere la loro funzione perché incapaci di legare i loro substrati.
Fibrosi cistica: difetto nella proteina transmembrana che agisce come
un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: 1480
amminoacidi). La mutazione più comune è la delezione di un
amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si avvolge
correttamente.
Biofisica
Biofisica
Biofisica
Il Prione esiste in due forme. Quella normale, innocua (PrPc),
può cambiare la sua forma e diventare patogena (PrPSc). 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.
il suo scheletro
si ripiega
formando eliche
(mostrate nel
modello a nastro)
e come cilindri
nello schema
con filamenti
beta
La proteina prionica (PrPc) è generalmente innocua. La PrPc si converte
nella forma infettiva (PrPSc) quando gran parte dello scheletro si
distende, formando i cosidetti filamenti beta. I siti in rosso nel modello a
nastro della PrP normale evidenziano posizioni nelle quali la
sostituzione di un amminoacido promuove probabilmente
l'avvolgimento nella forma infettiva della molecola.
I peptidi ed i polipeptidi biologicamente attivi hanno dimensioni
molto variabili (diverso numero di aminoacidi, diversa composizione,
diversa sequenza
es.
- Ossitocina (9 aa)
- Glucagone (29 aa),
-Somatostatina (14, 28aa)
-insulina con le sue due catene alfa (21aa) e beta (30aa).
Molte biomolecole sono di derivazione dagli aa.
La glicina è un precursore dell’eme.
L’ossido nitrico (Molecola segnale) si produce dall’arginina
GABA dal Glutammico
Istamina dall’istidina
Serotonina dal triptofano
Dopamina e Adrenalina dalla Tirosina
Alcune poliammine derivano dall’ornitina.
L'insulina è costituita da due catene polipeptidiche (α più piccola di 21 AA e β
più grande di 30 AA), tenute insieme da ponti disolfuro che si formano tra le
cisteine 7 e 20 della catena α e le cisteine 7 e 19 della catena β. L'insulina
viene prodotta a partire dalla proinsulina tramite taglio proteolitico di un peptide
di congiunzione di 33 aa. Questo peptide è chiamato peptide C, mentre
l'enzima responsabile del taglio proteolitico è detto endopeptidasi
33aa
21aa
30aa
Alcuni ricercatori notarono che nell'insulina umana sono presenti delle regioni variabili, in
particolare la sequenza degli aminoacidi n°28 e 29 (P ro-Lys) della catena β;
successivamente si scoprì che invertendo tali AA l'insulina passava direttamente allo
stato monometrico, saltando quello dimerico. Nacque così la "Lys Pro" o "insulina
rapida", un farmaco particolarmente utile se iniettato in prossimità di un pasto
abondante.
La somatostatina viene prodotta, a livello ipotalamico, e anche a livello del sistema nervoso periferico,
a livello pancreatico e nel tratto gastrointestinale.
La somatostatina influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione
ghiandolare, la contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellulare.
Nei mammiferi la somatostatina è codificata da un unico gene e sintetizzata come parte di un
precursore più grande, la pre-pro-somatostatina, lungo 116 amminoacidi e caratterizzato
all'estremità N-terminale da un peptide segnale di 24 residui.
Il precursore viene, però, rapidamente trasformato in un peptide lungo 92 amminoacidi, la prosomatostatina [5, 6]. Nei mammiferi il proormone viene processato ad entrambe le estremità Nterminale e C-terminale a dare i due prodotti biologicamente attivi, la somatostatina-14 (SS-14)
e la somatostatina-28 (SS-28)
La
ossitocina,: nonapeptide secreto dalla neuroipofisi, implicato nella
contrattilità della muscolatura uterina nel parto e nella eiezione del
latte durante l’allattamento, è implicato anche nei comportamenti
sociali, sessuali e materni.
Gly-Leu-Pro-Cys-Cys-Asn-Gln-Ile-Tyr
La vasopressina, nota anche come ormone antidiuretico (ADH) o diuretina, è una sostanza di natura
peptidica secreta dall'ipofisi posteriore, ma prodotta principalmente a livello ipotalamico.
La vasopressina gioca un ruolo importante nella regolazione del volume plasmatico, e come tale
contribuisce a mantenere costante la parte liquida del sangue, chiamata plasma. L'ormone antidiuretico,
infatti, favorisce il riassorbimento di acqua a livello renale (più precisamente nei tubuli distali e nei dotti
collettori dei nefroni), opponendosi alla produzione di urina (o diuresi); da qui il nome antidiuretico. Più il
suo livello è alto e minore sarà la produzione di urina e viceversa. In assenza di vasopressina, malattia nota
come diabete insipido, il soggetto elimina 18 litri di urina al giorno e, di conseguenza, è costretto ad
assumere almeno 20 litri di liquidi con la dieta.
Se l'aggettivo "antidiuretico" esprime in modo chiaro l'azione fisiologica di questo ormone, altrettanto si può
dire del sinonimo "vasopressina". L'ADH, infatti, possiede una seconda, importante, azione, legata alla sua
capacità vasocostrittrice. Diminuendo il calibro delle arteriole, la vasopressina è infatti capace di
aumentare la pressione arteriosa, anche in maniera sensibile quando è secreta in quantità elevate.
Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly
S-S
Il glutatione è una combinazione dei tre aminoacidi (tripeptide)
cisteina, acido glutammico e glicina.
γ-L-glutammil-L-cisteinil-glicina
contro i radicali liberi o molecole come perossido di idrogeno, nitriti, nitrati,
benzoati e altre. Svolge un'importante azione nel globulo rosso, proteggendo tali
cellule da pericoli ossidativi che causerebbero l'emolisi. Elemento importante per il
suo funzionamento è il NADPH. Tale molecola è un derivato della vitamina PP
(acido nicotinico) e funziona da cofattore ossido-riduttivo dell'enzima glutatione
reduttasi (o GSR). L'enzima rigenera il glutatione ossidato (o GSSG) attaverso gli
elettroni ceduti dal NADPH, che vengono trasferiti sull GSSG rigenerando questo a
gluatione ridotto (o GSH).
Nei soggetti favici l'assenza dell'enzima glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PD)
porta ad una minor produzione di NADPH; le fave contengono sostanze ossidanti che
portano in queste persone all'emolisi, in quanto il glutatione non possiede abbastanza
potere riducente da poter contrastare il danno ossidativo di tali sostanze.
t
Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono la
struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica.
Il processo
è reversibile
DENATURAZIONE
