STRUTTURA E FUNZIONE
DELLE PROTEINE
PROTEINE
Forma e funzione
Stretta correlazione fra forma e
funzione delle proteine
È la conformazione
tridimensionale che conferisce
alla proteina l'attività biologica
specifica
• Le proteine di sostegno e alcune di
quelle contrattili hanno una forma
fibrosa
Sono costituite da catene polipeptidiche
allungate, disposte in fasci lungo uno stesso
asse a costituire le fibre
Sono insolubili in acqua
• Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di
trasporto hanno invece una forma
globulare
Le catene sono strettamente avvolte in
forma compatta, sferica o globulare, come
un gomitolo
Sono solubili in acqua
La struttura delle proteine ne
determina la funzione
Le proteine costituiscono il 40-70% del peso secco di una
cellula
• Le proteine sono singole catene, non ramificate di
monomeri amino acidici
• Nell’organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo
20 che compongono le proteine .
• Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti
contemporaneamente
• La sequenza degli amino acidi di una proteina ne determina
la sua struttura tridimensionale (conformazione)
• A sua volta, la struttura di una proteina ne determina la
funzione
Tutti gli amino acidi hanno la stessa
struttura generale ma ciascuno differisce
per il gruppo R
Quattro livelli di struttura
determinano la forma di una
proteina
alfa
Beta
• Primaria: la sequenza lineare degli amino acidi
• Secondaria: l’organizzazione di parti di una catena
polipeptidica (esempio: l’α elica o il foglietto β)
• Terziaria: la struttura tridimensionale completa di una
catena polipeptidica
• Quaternaria: l’associazione di due o più polipeptidi in una
struttura complessa multi-subunità
La caratteristica
distintiva di ogni
proteina è la
particolare sequenza
di aminoacidi
Il dogma centrale della genetica
FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO
I legami peptidici uniscono gli amino
acidi in catene lineari
Delocalizzazione degli e-
Le parziali caratteristiche di doppio legame impediscono la libera
rotazione attorno al legame peptidico, C-N, che costituisce così un
punto di rigidità della catena polipeptidica
LEGAME PEPTIDICO:
C – N = 0.1325 nm
C – N = 0.145 nm
C = N = 0.125 nm
• Ogni piano delle unità peptidiche ha due rotazioni
possibili: una intorno al legame Cα-C' (angolo di
rotazione Ψ, psi), ed una intorno al legame N-Cα
(angolo di rotazione φ, phi).
• La configurazione preferenziale del gruppo
peptidico è quella in cui i due Cα sono in
posizione trans, in modo che i gruppi R
consecutivi sono alla massima distanza l'uno
dall'altro (minor ingombro sterico).
N-Carbonio α (Φ) (psi); Carbonio α – Carbonio Carbonilico (ψ) (fi)
• Un'ulteriore conseguenza della risonanza che interessa il legame peptidico è che gli
atomi che compongono il cosiddetto gruppo peptidico (i due atomi, C ed N, del legame
stesso e i 4 atomi ad essi legati: O, H e i due carboni α) giacciono tutti su uno stesso
piano (legame rigido e planare).
• Lo scheletro di una catena polipeptidica può essere rappresentato come una serie di
piani rigidi
d
Peptidi e proteine
• Sono polimeri lineari di 20 tipi di monomeri
• Peptidi: polimeri più piccoli (5.000 Dalton)
– Di-, tripeptidi (2, 3 aa)
– Oligopeptidi (< 10 aa)
– Polipeptidi (> 10 aa)
• Proteine: polimeri più lunghi (50-2700 aa)
con una struttura definita.
Legami caratterizzanti: ponte di H
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
Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei
legami ad idrogeno,
ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet)
Legame a H
Filamento β
Filamento β
Ad esempio …la seta.
Le proteine della seta sono
un esempio
di foglietto pieghettato…
Sono composte
principalmente
da glicina e alanina
…il foglietto β
Filamento β: conformazione ripetitiva, lo scheletro della
proteina è disposto a zig-zag. Ogni filamento si dispone
affianco all’altro formando un foglietto pieghettato mantenuto
da legami a H tra regioni adiacenti o molto lontane della
stessa catena o di catene differenti. I gruppi R sporgono verso
l’esterno. I filamenti possono avere la stessa direzione
(paralleli) o opposte (antiparalleli). La struttura è identica, solo
il periodo è differente 6.5 rispetto a 7 A°.
Come si orientano i legami negli amminoacidi?
alfa elica
Guardate i carbonili! Nell’alfa elica sono
alternati, mentre nei foglietti pieghettati
puntano nella stessa direzione
Le strutture secondarie sono preferite
Le strutture secondarie consentono,
infatti, l'instaurarsi del maggior numero di
legami a H tra i gruppi dello scheletro
polipeptidico ed impediscono a
quest'ultimo di interagire con l'ambiente
acquoso
ORIGINE
DELLA
STRUTTURA
TERZIARIA
L'effetto idrofobico è la forza
motrice del ripiegamento di
una proteina e ne
Le strutture terziarie sono sempre
compatte
La superficie delle proteine è polare
mentre l'interno è prevalentemente
apolare
L'avvolgimento della catena deve
essere tale da esporre sempre al
solvente acquoso le catene laterali
idrofile. Catene laterali cariche
possono trovarsi all‘interno di una
proteina solo se la loro carica netta
viene neutralizzata.
Legami responsabili della struttura
terziaria
Forze di Wan der Waals 1-2 Kcal/mole
Legami a H
3-7 Kcal/mole
Legami ionici
5 Kcal/mole
Legami S-S
50 Kcal/mole
Catene polipeptidiche con più di 200
residui presentano 2 o più zone (30-150
residui) a struttura globulare e
compatta, congiunte da segmenti di
catena relativamente flessibili.
Queste strutture si definiscono
Un dominio può essere separato
mediante idrolisi controllata, dal resto
della catena polipeptidica. Il domino
può riassumere nuovamente la
struttura e spesso anche la funzione
che aveva quando era unita al resto
della catena polipeptidica.
polipeptidica
Nel 1974 è stato scoperto il
ripiegamento di Rosman, uno dei
domini più ampiamente distribuito,
formato da 70 residui con una
super struttura secondaria del tipo
βαβαβ. E’ presente in numerose
proteine enzimatiche, anche a
struttura molto diversa, ma che
hanno in comune la funzione di
legare un coenzima nucleotidico
(NAD ).
ripiegamento di Rosman
ripiegamento di Rosman
E' stata avanzata l'ipotesi che
questo dominio sia quello
che resta di una primitiva
proteina di epoche
precellulari.
Tutti gli organismi viventi
discendono da pochi progenitori,
così la grande maggioranza delle
proteine deve essere derivata da
un numero ristretto di archetipi
I genomi eucariotici sono costruiti
in modo da facilitare la
riorganizzazione occasionale di
sequenze di DNA atte a creare un
gene che codifichi per nuove
combinazioni di domini proteici
La struttura terziaria di una
proteina globulare costituita da
più domini é la conseguenza
della organizzazione dei vari
domini e di tratti di struttura
secondaria che li congiungono.
Proteine che possiedono piu' siti di legame
per ligandi distinti spesso presentano
questi siti di legame localizzati su diversi
domini.
Domini diversi in proteine multifunzionali
possono svolgere funzioni diverse .
I vari domini presenti su una proteina
mostrano talvolta spostamenti reciproci
relativi, collegati all'attività della proteina.
(Es. Esochinasi)
Nelle cellule le proteine si sintetizzano ad
una velocità molto elevata.
Le cellule di E.Coli producono una molecola
proteica biologicamente attiva contenente 100
residui aminoacidici in 5 sec a 37°.
COME FANNO LE PROTEINE AD
AVVOLGERSI NEL TEMPO DI POCHI
SECONDI?
Supponiamo che ciascuno dei 2 angoli
di torsione, φ ψ, di una proteina con n
residui possa assumere 3 conformazioni
stabili, le conformazioni possibili per
questa proteina saranno 32n circa 10n
Se la proteina può esplorare una
conformazione ogni 10-13 secondi
Il tempo in sec necessario per esplorare
tutte le conformazioni possibili sarà
t = 10 n / 1013
Per n= 100 t = 10 87 ( 20 miliardi di anni!)
Le proteine
non ricercano casualmente la
conformazione nativa fra le molte
possibili
si ripiegano seguendo vie dirette
PICCOLI TRATTI DI STRUTTURA
SECONDARIA SERVONO DA
MEDIATORI DEL PROCESSO DI
AVVOLGIMENTO.
LA FORMAZIONE DI CORTI SEGMENTI DI
STRUTTURA SECONDARIA È MOLTO
VELOCE.
Questi piccoli tratti (circa 15 residui) si
stabilizzano formando dei complessi
(es 2α
α, 2β,
β, αβ)
αβ che si chiamano
unità di avvolgimento.
Intorno a questi centri si stabilizzano poi
altri tratti di struttura secondaria
• L'avvolgimento spontaneo delle catene
polipeptidiche nella loro corretta
struttura terziaria è un processo
altamente cooperativo,
cooperativo in cui la
formazione di piccoli elementi accelera
la produzione di altri più grandi
Il processo di
ripiegamento di una
proteina procede da
uno stato ad alta
energia ed alta
entropia ad uno a
bassa energia e
bassa entropia
Il processo di avvolgimento delle proteine
può essere accelerato dall’enzima “
proteina disolfuro isomerasi”
PDI ossidata
Proteina disolfuro isomerasi
Proteina ridotta
PDI ridotta
Disolfuro misto
Proteina ossidata (nativa)
PDI ridotta
Ponti S-S non nativi
Disolfuro misto
Ponti S-S nativi
Per alcune proteine a tale processo
partecipano gli chaperoni molecolari
che :
contribuiscono al corretto
avvolgimento di una proteina
nascente
consentono alle proteine ripiegate
in modo non corretto di raggiungere
la conformazione nativa
Esistono due classi di
chaperoni molecolari : la
famiglia Hsp70 e le
chaperonine (Hps60 o
GroEL ed o Hsp10 GroES )
Le chaperonine sono costituite da due tipi di
proteine HP60 (GroEL) e HP10 (GroES)
GroEL 14 subunità identiche (549 aa) disposte in due
anelli sovrapposti (7+7)
GroES 7 subunità identiche (97aa) formano un
anello eptamerico
Le proteine con peso
molecolare superiore a 50.000
sono OLIGOMERICHE
Sono costituite cioè da più
catene polipeptidiche
PROTOMERI O SUBUNITÀ
Le proteine oligomeriche presentano
un ulteriore livello di organizzazione
srutturale la struttura quaternaria
LA STRUTTURA QUATERNARIA
descrive il modo in cui le singole
catene polipeptidiche sono disposte
l'una rispetto all'altra.
Vantaggi della struttura quaternaria
Risparmio di DNA
Minimizzazione degli errori casuali
durante la biosintesi proteica
Presenza di interazioni allosteriche
Per la sintesi di una catena polipeptidica
di 4000 residui aminoacidici è necessario
un gene che contenga almeno 4OOO x 3 =
12.000 basi azotate.
Per la sintesi di 2O copie di una
stessa catena polipeptidica di
200 residui è sufficiente un gene
che contenga solo 200 x 3 = 600
basi
LA GLICERALDEIDE-3-FOSFATO
DEIDROGENASI È COSTITUITA
DA 4 SUBUNITÀ IDENTICHE DI
330 RESIDUI (330 X 3 = 990
NUCLEOTIDI)
SE LA PROTEINA CONSISTESSE IN
1 CATENA DI (330 X 4) 1320
RESIDUI OCCORREREBBE UN
GENE DI 3 X 1320=3960
NUCLEOTIDI.
La Ferritina ha un peso
molecolare di circa 480.000
daltons. Non è costituita da una
sola catena polipeptidica di
4000 a.a. ma di 20 catene
identiche di circa 200 residui
ciascuna.
100.000
Generalmente nella formazione delle
proteine oligomeriche le subunità
difettose sono scartate.
LA STRUTTURA QUATERNARIA DI
UNA PROTEINA PUÒ SUBIRE
MODIFICHE CONFORMAZIONALI
REVERSIBILI AD OPERA DI
LIGANDI, DEFINITI EFFETTORI
ALLOSTERICI.
LE MODIFICHE CONFORMAZIONALI
POSSONO ALTERARE LA FUNZIONE DI
UNA PROTEINA, REALIZZANDO IN TAL
MODO UN IMPORTANTE MECCANISMO
DI CONTROLLO DELLA SUA ATTIVITÀ
BIOLOGICA.
La struttura quaternaria delle proteine
La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da 2 o più
catene polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine
regolatrici). E’ possibile classificare le proteine in due gruppi:
Proteine fibrose con catene disposte in lunghi fasci o foglietti e
Proteine globulari con catene polipeptidiche ripiegate a formare
forme globulari o sferiche
Esempio: la emoglobina
Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni
Biofisica
nell’attività catalitica
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.
L’ informazione per il “folding” della
proteina è contenuta nella sequenza
Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono la
struttura terziaria e secondaria e la funzione biologica.
Il processo
è reversibile
Le chaperonine assistono le proteine nella fase di
folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati.
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.
La fibrosi cistica è un 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.
Proteine conformate in modo
aberrante sono implicate nello
sviluppo di patologie
Una placca amiloide
nella malattia di
Alzheimer è un
agglomerato di
filamenti proteici
Comparazione sequenze
Hum αglobina:
Bovis:
Pig:
mvlspadktn vkaawgkvga hageygaeal
mvlsaadkgn vkaawgkvgg haaeygaeal
vlsaadkan vkaawgkvgg qagahgaeal
ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg kkvadaltna vahvddmpna
ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg akvaaaltka vehlddlpga
ermflgfptt ktyfphfnls hgsdqvkahg kvadaltka vghlddlpga
lsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahlpaeftp avhasldkfl
lselsdlhah klrvdpvnfk llshsllvtl ashlpsdftp avhasldkfl
lsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahhpddfnp svhasldkfl
asvstvltsk yr
anvstvltsk yr
anvstvltsk yr
L’omologia delle sequenze suggerisce
relazioni funzionali ed evolutive tra le
proteine
I peptidi ed i polipeptidi biologicamente attivi hanno dimensioni
molto variabili (diverso numero di aminoacidi, diversa composizione,
diversa sequenza) es.
-
Insulina con le sue due catene: alfa (21aa) e beta (30aa).
Glucagone (29 aa),
Somatostatina (14, 28aa)
Ossitocina (9 aa)
Vasopressina (9aa)
Glutatione (3aa)
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 monomerico, saltando quello dimerico. Nacque così la "Lys Pro" o "insulina
rapida", un farmaco particolarmente utile se iniettato in prossimità di un pasto
abbondante.
Il GLUCAGONE secreto dalle cellule β del pancreas regola il metabolismo
nella fase di digiuno. Viene prodotto come pro-ormone (PM18000), e convertito in
Glucagone a 29aa (PM 3500) dopo tagli proteolitici. Scoperto nel 1923, due anni
dopo l’insulina, la sua sequenza fu definita nel ’56.
La sua sequenza è mantenuta tra le specie, questo lo rende poco immunogeno.
Non ha cisteine e ponti disolfuro, perciò è più resistente alla denaturazione alcalina.
Mobilizza le riserve energetiche in risposta all’ipoglicemia e al digiuno prolungato.
•La
La somatostatina viene prodotta: a livello ipotalamico, dal sistema nervoso periferico,
pancreatico e nel tratto gastrointestinale.
•Influenza
Influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione ghiandolare,
la contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellulare.
cellulare.
•Nei
Nei mammiferi è codificata da un unico gene
PrePre-propro-somatostatina 116 aa.(24aa
N-terminali, peptide segnale).
ProPro-somatostatina 92 aa.
•Nei mammiferi il proormone processato
ad entrambe le estremità N- e C-terminale
SomatostatinaSomatostatina-14 (SS(SS-14)
SomatostatinaSomatostatina-28 (SS(SS-28)
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, ormone antidiuretico (ADH) o diuretina, di natura peptidica secreta dall'ipofisi
posteriore, ma prodotta a livello ipotalamico.
La vasopressina gioca un ruolo importante nella regolazione del volume plasmatico, contribuisce
a mantenere costante la parte liquida del sangue, plasma.
Favorisce, infatti, 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
AGISCE:
•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,(derivato dalla
vitamina PP ac. Nicotinico e coenzima della Glutatione reduttasi). L’E.
rigenera il Glutatione ossidato (GSSG) mediante gli e- ceduti dal NADPH
con produzione di Glutatione ridotto (GSH) e NADP
Nei soggetti favici l'assenza dell‘enzima glucosio-6-P-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.
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)
- Titina (~27000 aa)
•La
La somatostatina viene prodotta: a livello ipotalamico, dal sistema nervoso periferico, pancreatico
e nel tratto gastrointestinale.
•Influenza
Influenza principalmente quattro processi: la neurotrasmissione, la secrezione ghiandolare, la
cellulare.
re.
contrazione della muscolatura liscia e la proliferazione cellula
•Nei
Nei mammiferi è codificata da un unico gene e sintetizzata come parte di un precursore
precursore più
più
grande, la prepre-propro-somatostatina, lungo 116 amminoacidi, caratterizzato all'estremit
all'estremità N-terminale
da un peptide segnale di 24 residui.
•Il
Il precursore è rapidamente trasformato in un peptide lungo 92 amminoacidi, la propro-somatostatina.
Nei mammiferi il proormone processato ad entrambe le estremità
estremità N- e CC-terminale dà due prodotti
biologicamente attivi, la somatostatinasomatostatina-14 (SS(SS-14) e la somatostatinasomatostatina-28 (SS(SS-28)
