Dispense - Pasquale CLARIZIO

FUNZIONI DELLE PROTEINE
1 CATALISI ENZIMATICA
2 TRASPORTO E DEPOSITO
3 MOVIMENTO COORDINATO
4 SUPPORTO MECCANICO
5 PROTEZIONE IMMUNITARIA
6 GENERAZIONE E TRASMISSIONE
DELL’IMPULSO NERVOSO
7 CONTROLLO DELLA CRESCITA E
DELLA DIFFERENZIAZIONE
STEREOISOMERIA DEGLI α -AMMINOACIDI
(3 modi di rappresentare la struttura degli enantiomeri
dell’alanina)
Proiezioni di Fischer
Relazione tra gli stereoisomeri dell’alanina e la configurazione
assoluta della D- e della L-gliceraldeide
Gli amminoacidi L costituiscono la serie naturale
I 20 AMMINOACIDI STANDARD DELLE PROTEINE
Gly (G)
Leu (L)
Ala (A)
Val (V)
Met (M)
Ser (S)
Cys (C)
Ile (I)
Pro (P)
Amminoacidi essenziali
Thr (T)
Asn (N)
Gln (Q)
I 20 AMMINOACIDI STANDARD DELLE PROTEINE
Asp (D)
Glu (E)
Lys (K)
Amminoacidi essenziali
Arg (H)
His (R)
I 20 AMMINOACIDI STANDARD DELLE PROTEINE
Phe (F)
Amminoacidi essenziali
Tyr (Y)
Trp (W)
IL LEGAME PEPTIDICO
IL LEGAME PEPTIDICO È PLANARE, POLARE E STABILIZZATO
DALLA RISONANZA
mesomeria
dimensioni
CONFIGURAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO
Trans
Cis
Nelle proteine, quasi tutti i residui amminoacidici sono in configurazione
trans (minima repulsione sterica). Una eccezione è rappresentata dai
legami peptidici a cui partecipa la prolina,
prolina un amminoacido ciclico.
PEPTIDI E PROTEINE
In base al numero di amminoacidi che costituiscono una catena è possibile
distinguere: oligopeptidi (da 2 a 20), polipeptidi (da 20 a 100), proteine (più
di 100). Una proteina, tuttavia, non è un semplice polipetide ad alto peso
molecolare: una proteina è un polipeptide con una sequenza
amminoacidica definita.
Il pentapeptide serilgliciltirosilalanilleucina
( Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu o SGYAL)
Il nome di un peptide inizia sempre dal residuo N-terminale, che per
convenzione è sempre posto a sinistra. (In grigio, i legami peptidici; in rosso, i gruppi R.)
CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE
a) In base alla composizione:
SEMPLICI.
SEMPLICI
Costituite solo di amminoacidi
CONIUGATE.
CONIUGATE
Costituite, oltre che di amminoacidi, anche di ioni o
altre molecole organiche
b) In base alla struttura:
FIBROSE.
FIBROSE
Proteine aventi struttura estesa di tipo filamentoso con
proprietà meccaniche. Sono generalmente insolubili in
acqua e nella maggior parte dei casi svolgono ruoli
strutturali in cellule e tessuti.
GLOBULARI.
GLOBULARI
Proteine ripiegate in strutture compatte con una simmetria
di tipo sferoidale. Sono generalmente solubili in acqua e
svolgono un’azione dinamica compiendo la maggior parte
del lavoro chimico di una cellula. Costitiuiscono la frazione
più grande delle proteine di un organismo.
L’ARCHITETTURA DELLE PROTEINE È
SECONDO QUATTRO LIVELLI DI STRUTTURA
ORGANIZZATA
Struttura primaria.
È la descrizione completa dei legami covalenti di
primaria
una proteina. Descrive la sequenza degli amminoacidi e la posizione
dei ponti
disolfuro eventualmente presenti.
Struttura secondaria.
Conformazione dello “scheletro” polipeptidico che
secondaria
dà luogo a strutture periodiche. È la disposizione regolare e
ricorrente
della
catena polipeptidica in una direzione dello spazio.
È dovuta
alle relazioni steriche di amminoacidi vicini nella sequenza lineare.
Struttura terziaria.
Conformazione della catena polipeptidica nelle tre
terziaria
direzioni dello spazio,. È determinata dalle
relazioni steriche di
amminoacidi lontani nella sequenza lineare. Per
le proteine
globulari costituisce la conformazione biologicamente attiva.
Struttura quaternaria.
Tipica delle proteine costituite dall’associazione di
quaternaria
due o
più catene polipeptidiche (proteine multimeriche),
multimeriche descrive le
interazioni tra le catene (subunità).
essere di
subunità Le interazioni possono
tipo non covalente o costituite da legami trasversali covalenti.
LA STRUTTURA PRIMARIA DELL’INSULINA
BOVINA
La molecola è costituita di due catene polipeptidiche unite
da ponti disolfuro trasversali realizzati tra due residui di
cisteina. La catena A contiene un ponte disolfuro
intracatena. La catena A è identica a quella presente nell’
insulina dell’ uomo.
GLI AA IN UNA CATENA HANNO UN LIMITATO NUMERO DI GRADI DI
LIBERTÀ
In una catena polipeptidica, sono possibili rotazioni solo attorno ai legami N-Cα e Cα-C
definite, rispettivamente, dagli angoli φ e ψ.
Le dimensioni o le cariche dei gruppi R costituiscono un limite alla rotazione
e definiscono pertanto i valori degli angoli φ e ψ .
Per convenzione, il valore degli angoli φ e
ψ è = 0 quando i due legami peptidici che
fiancheggiano un atomo di Cα sono sullo
stesso piano.
ROTAZIONE DEI PIANI AMMIDICI VISTA DA UN OSSERVATORE SUL
CARBONIO α
Per
convenzione,
la
rotazione positiva è in
senso orario, guardando
dal Cα in entrambe le
direzioni.
L’angolo φ definisce
la
posizione
del
legame
peptidico
precedente;
Ψ
ψ stabilisce
la
posizione di quello
successivo.
Φ
Ψ = 0°
Φ = 180°
Ψ = 180°
Φ = 0°
massimo impedimento sterico
GRAFICO DI RAMACHANDRAN
La maggior parte delle combinazioni di ψ e φ sono stericamente vietate (regioni in rosso). Sono favorite solo
le combinazioni nelle regioni verdi. Quelle delle regioni in giallo sono energeticamente meno favorevoli, ma
ugualmente possibili.
α - ELICA DESTRORSA (α R)
È la struttura secondaria più frequente. Gli angoli φ e ψ assumono rispettivamente i valori di - 57°
e - 47°
I piani rigidi dei legami
peptidici sono
paralleli
all’asse dell’elica
Modello a palle e bastoncini di un’α-elica
destrorsa in cui sono visibili i legami idrogeno
intracatena. L’unità ripetitiva è un giro dell’elica
comprendente 3,6 residui
SEZIONE TRASVERSALE E MODELLO SPAZIALE DI UNA
α -ELICA DESTRORSA
5Å
Il modello a palle e bastoncini, usato per mettere in risalto
l’organizzazione strutturale dell’α-elica, non evidenzia la reale
compattezza della struttura. Questa è visibile solo nel modello
spaziale che utilizza i raggi di van der Waals degli atomi.
STRUTTURA β O A FOGLIETTO RIPIEGATO
La struttura a foglietto ripiegato è la seconda struttura ripetitiva, più frequente, nelle proteine.
Estremità amminica
Estremità carbossilica
LE CATENE POLIPEPTIDICHE CON STRUTTURA β POSSONO AFFIANCARSI
IN DUE MODI DIVERSI
Foglietto β antiparallelo
φ = - 139°
ψ = + 135°
Foglietto β parallelo
φ = - 119°
ψ = + 113°
I FOGLIETTI β , ANTIPARALLELI E PARALLELI, CON IL MODELLO A PALLE E
BASTONCINI
I RIPIEGAMENTI β PERMETTONO L’INVERSIONE DELLA DIREZIONE DELLA
CATENA POLIPEPTIDICA
Esistono più modi in cui la catena
polipeptidica può cambiare direzione, in
modo da passare da un segmento β o da
uno α al segmento successivo. I più
frequenti sono i ripiegamenti β. Sono
formati da quattro residui amminoacidici
disposti in modo da invertire la direzione
della catena di circa 180°. I più comuni
ripiegamenti β sono due.
Tipo I
Entrambi
i
ripiegamenti
sono
stabilizzati da legami idrogeno tra i
residui 1 e 4. Il tipo I ha una
frequenza doppia rispetto al tipo II.
Nel tipo II vi è sempre, in posizione 3,
un residuo di glicina. In molti
ripiegamenti β è presente la prolina
che forma legami peptidici in
configurazione cis.
Tipo II
I RIPIEGAMENTI β SECONDO IL MODELLO A PALLE E BASTONCINI
Molto meno frequente è il ripiegamento γ , una struttura più serrata a tre residui con un legame
idrogeno tra il primo ed il terzo residuo.
PROBABILITÀ RELATIVE DELLA PRESENZA DI UN DATO AMMINOACIDO NEI
TRE TIPI PIÙ COMUNI DI STRUTTURA SECONDARIA
PREDIZIONE DELLA STRUTTURA SECONDARIA
Dalle tabelle di frequenza relativa degli amminoacidi nelle proteine è possibile
ricavare che:
Ala (A)
Cys (C)
Met (M)
Glu (E)
Gln (Q)
His (H)
Lys (K)
Favoriscono
la formazione
di α eliche
Gly(G)
Ser (S)
Asp (D)
Val (V)
Ile (I)
Phe (F)
Tyr (Y)
Trp (W)
Thr (T)
Asn (N)
Favoriscono
la formazione
di foglietti β
Pro (P)
Favoriscono
la formazione
di ripiegamenti β
Struttura secondaria e proprietà delle proteine fibrose
Struttura
Caratteristiche
Esempi
α elica, con ponti
disolfuro
Resistentza, strutture
protettive insolubili di
varia durezza e
flessibilità
α cheratina dei capelli,
piume e unghie
Conformazione β
Sofficità, filamenti
flessibili
Fibroina della setra
Tripla elica del collagene Elevata resistenza alla
trazione, mancanza di
elasticità
Collagene dei tendini,
matrice delle ossa.
Struttura del capello
L’ α cheratina dei capelli è una lunga α elica con ispessimenti in corrispondenza delle
terminazioni amminiche e carbossiliche. Coppie di queste eliche si avvolgono con
andamento sinistrorso. Queste, a loro volta, formano strutture ordinate dette
protofilamenti e protofibrille. Quattro protofibrille (32 filamenti di α cheratina) si
combinano a formare un filamento intermedio.
La permanente è un’operazione di ingegneria biochimica
Fibroina della seta
La principale proteina della seta è costituita da foglietti β antiparalleli, disposti in vari
strati. E’ composta, per oltre l’80%, di glicina, alanina e serina con una sequenza
ripetitiva del tipo (Ser-Gly-Ala-Gly)n. Le piccole dimensioni dei gruppi R permettono
una perfetta sovrapposizione di uno strato sull’altro. Fra le lamine sovrapposte si
stabiliscono interazioni di van der Waals che spiegano la flessibilità del materiale.
La catena del collageno ha una struttura secondaria ripetitiva unica.
La sequenza ripetitiva del tripeptide Gly-X-Pro oppure Gly-X-HyPro assume una
struttura elicoidale sinistrorsa con tre residui per giro (elica del collageno)
collageno
Tre catene polipeptidiche sono superavvolte, le une attorno alle altre, in una
superelica destrorsa
Tre eliche, mostrate in grigio, azzurro e viola nel modello spaziale, si arrotolano insieme
con un andamento destrorso.
Modello a palle e bastoncini della superelica a tre catene del collageno vista
da una estremità
I residui di Gly sono in rosso. La glicina, proprio per le sue piccole dimensioni, è
necessaria per conferire compattezza alla tripla elica. I residui di prolina sono
all’esterno.
Struttura della fibra di collageno
Il collageno (Mr 300000) è una molecola a
forma di bastoncino, lunga circa 3000 Å e
con uno spessore di 15 Å.
I tre polipeptidi avvolti in modo elicoidale
possono avere diverse sequenze, ma ognuna
contiene circa 1000 residui.
Le fibre sono costituite da molecole di
collageno allineate in modo sfalsato e unite
da legami crociati che ne aumentano la
forza.
Questo tipo di allineamento ed il contenuto
di legami crociati variano da tessuto a
tessuto e producono le tipiche striature che si
osservano al microscopio elettronico.
Nell’esempio mostrato, l’allineamento delle
teste ogni quarta molecola produce striature
distanti 640 Å.
STABILIZZAZIONE DELLA STRUTTURA TERZIARIA
N
H
COO-−
CH2
O
CH2
=
CH2
NH3+
COO−
S
CH2
S
CH2
CH3
S
CH2
CH3
CH2
Interazioni elettrostatiche
(ponti salini)
Legami idrogeno
OH
CH2
COO-−
NH3+
CH2
S CH2
C
CH2
OH
O
=
NH3+
C O−
O−
O =C
Ponti disolfuro
Interazioni idrofobiche
L’INFORMAZIONE CHE DETERMINA LA STRUTTURA TRIDIMENSIONALE DI
UNA PROTEINA È CONTENUTA INTERAMENTE NELLA SEQUENZA DEGLI
AMMINOACIDI.
Christian Anfinsen (1950)
Ribonucleasi A
1
124
1
DENATURAZIONE
HOCH2CH2SH
SH
SH
RINATURAZIONE
O2 a pH 8
SH
SH
HS
SH
SH
124
SH
La proteina “conosce” la propria conformazione e non
necessita di altre informazioni per ottenerla se non quella
contenuta nella sua struttura primaria
IL RIPIEGAMENTO DI UNA PROTEINA GLOBULARE È UN PROCESSO
TERMODINAMICAMENTE FAVOREVOLE
Il ripiegamento, tuttavia, coinvolge il passaggio da molte
conformazioni ad avvolgimento casuale ad una unica conformazione
biologicamente attiva. Ciò implica una diminuzione del disordine e
quindi una diminuzione di entropia. La variazione di entropia
conformazionale si oppone al ripiegamento.
Poiché il ∆G per l’intero processo è minore di zero:
o il ∆H è molto negativo
o il contributo entropico va nel senso di un aumento di entropia
Contributo principale ad un ∆ H negativo nel ripiegamento di
una proteina
INTERAZIONI ELETTROSTATICHE. Interazioni tra gruppi carichi, ad
esempio tra un gruppo ε amminico di lisina ed un gruppo carbossilico di
glutammico (ponti salini)
salini
LEGAMI IDROGENO INTRAMOLECOLARI. La maggior parte delle
catene laterali degli amminoacidi presenta gruppi tra i quali è possibile
la formazione di legami idrogeno (gruppi ossidrilici di serina e treonina,
gruppi amminici di lisina, azoto istidinico).
FORZE DI DISPERSIONE. Interazione tra le catene laterali degli
amminoacidi prive di cariche.
Attorno alle molecole non polari, l’acqua forma “gabbie” (clatrati)
con una struttura altamente ordinata
Una unità di una struttura a clatrato che circonda una molecola idrofobica.
Gli atomi di ossigeno delle molecole di acqua sono mostrati in rosso. Sono rappresentati
gli atomi di idrogeno di un solo pentagono di atomi di ossigeno. La gabbia dodecaedrica
di molecole di acqua, l’elemento strutturale dei clatrati, può ripetersi ed estendersi in una
struttura complessa ed ordinata che circonda le molecole idrofobiche.
Fattori che contribuiscono all’energia libera di ripiegamento di
proteine globulari.
Il cambiamento di entropia
conformazionale si oppone al
ripiegamento, mentre l’entalpia
delle interazioni interne ed il
cambiamento di entropia per
l’effetto idrofobico, favoriscono
il ripiegamento. La sommatoria
dei tre fattori da una variazione
di energia libera negativa.
LA STRUTTURA TERZIARIA DELLA MIOGLOBINA
La Mioglobina è una catena di 153 AA. È costituita da una serie di 8 segmenti di α elica
indicati con le lettere da A ad H, a partire dal terminale amminico. In sostanza è una scatola
che racchiude il gruppo eme.
Nel modello spaziale ogni
atomo è rappresentato da
una sfera le cui dimensioni
sono proporzionali al raggio
di van der Waals.
In blu sono indicate le
catene laterali dei residui
idrofobici Leu, Ile, Val, Phe.
IL GRUPPO EME, GRUPPO PROSTETICO DI DIVERSE PROTEINE,
DERIVA DALLA PROTOPORFIRINA IX
M
P
P =
−CH2CH2COO−
M = −CH3
N
V
N
M
H
H
P
V =
−CH=CH2
N
M
N
Protoporfirina IX
V
M
Il gruppo eme è la Ferro-protoporfirina IX
L’EMOGLOBINA, UNA PROTEINA OLIGOMERICA
È costituita di 4 catene polipeptidiche uguali a due a due:
2 catene (subunità) α di 141 AA, 2 catene (subunità) β di 146 AA. Le catene sono molto simili
tra loro e simili a quella della mioglobina. Ciascuna subunità è fatta di segmenti ad α elica
ripiegati a formare un contenitore per il gruppo eme.
Le interazioni tra le 4 subunità sono per la maggior parte di tipo idrofobico, rari sono i
legami idrogeno, ma vi sono ben 8 ponti salini.
salini
Modello a nastro
Modello spaziale
Le subunità α sono in grigio e in azzurro, le subunità β sono in rosa e blu. In rosso, i gruppi eme
OGNI LIVELLO DELLA STRUTTURA PROTEICA UTILIZZA COME BASE
COSTRUTTIVA I LIVELLI INFERIORI.
La struttura terziaria può essere vista come ripiegamento di elementi di struttura
secondaria e la quaternaria come la combinazione di subunità ripiegate. Tutto è
determinato dalla struttura primaria ed in definitiva dal gene.
Eritrociti di un soggetto normale
Eritrociti di un soggetto affetto da anemia a cellule falciformi
α2
α1
β1
H3 C C
H
CH3
β2
C
CH3
CH3
H
Nell’HbS il Glu in posizione 6, di ciascuna catena β, è sostituto da un residuo di
Val. l’HbS, rispetto all’Hb normale, ha, quindi, 2 cariche negative superficiali in
meno, una per ogni subunità β.
Sulla superficie della molecola, pertanto, nella regione della mutazione si crea un
punto di contatto “appiccicoso” (idrofobico) che consente alle molecole di
deossiHb di associarsi.
L’EMOGLOBINA NON E’ UN SEMPLICE CONTENITORE PER L’O2, MA UN
MACCHINARIO DI DIMENSIONI MOLECOLARI
Segmento F
CH2
NH
HYS F8
(istidina prossimale)
N
CH2
O2
N
N
HYS H7
(istidina distale)
N
N
N
N
N
CH2
N
N
N
O
NH
NH
Segmento H
NH
N
O
CH2

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