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Invertebrati marini Prof. Giorgio Sartor Copyright © 2001-2008 by Giorgio Sartor. All rights reserved. G02 - Versione 1.2.1 – nov 2008 Le proteine.

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1 Invertebrati marini Prof. Giorgio Sartor Copyright © by Giorgio Sartor. All rights reserved. G02 - Versione – nov 2008 Le proteine

2 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 2 - II FASE OSSIDATIVA I FASE IDROLITICA III

3 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 3 - II FASE OSSIDATIVA I FASE IDROLITICA III Metabolismo dei glucidi

4 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 4 - II FASE OSSIDATIVA I FASE IDROLITICA III Metabolismo dei grassi

5 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 5 - II FASE OSSIDATIVA I FASE IDROLITICA III Metabolismo dellazoto

6 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 6 - Fase idrolitica Proteasi –Scissione del legame peptidico Lipasi –Scissione del legame estereo nei trigliceridi e nei lipidi Glicosidasi –Scissione del legame etereo nei polisaccaridi

7 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 7 - Proteasi Enzimi che scindono il legame peptidico –Rimozione della metionina N-terminale nella sintesi proteica. –Rimozione del peptide segnale dopo il loro trasporto attraverso la membrana. –Separazione di proteine virali tradotte da mRNA policistronico. –Digestione di proteine da cibo come sorgente di AA. –Conversione di pro-proteine (proenzimi, zimogeno, preormoni) enlle loro strutture finali. –Degradazione delle cicline nei differenti stadi del ciclo cellulare. –Gestione del turnover delle proteine.

8 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 8 - Proteasi Enzimi che scindono il legame peptidico –Rimozione della metionina N-terminale nella sintesi proteica. –Rimozione del peptide segnale dopo il loro trasporto attraverso la membrana. –Separazione di proteine virali tradotte da mRNA policistronico. –Digestione di proteine da cibo come sorgente di AA. –Conversione di pro-proteine (proenzimi, zimogeno, preormoni) enlle loro strutture finali. –Degradazione delle cicline nei differenti stadi del ciclo cellulare. –Gestione del turnover delle proteine. Proteasi a serina Tripsina Chimotripsina Metallo-proteasi Aminopeptidasi Carbossipeptidasi Proteasi ad aspartato Pepsina

9 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 9 - Proteasi Proteasi a serina –Tripsina –Chimotripsina Proteasi ad aspartato –Pepsina Metallo-proteasi –Aminopeptidasi –Carbossipeptidasi

10 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Proteolisi: meccanismo generale

11 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Attivazione delle proteasi Attivazione delle proteasi: La maggior parte delle protesi sono sintetizzate come proenzimi di maggiori dimensioni. Lattivazione consiste nella rimozione di un segmento inibitorio nel proenzima. Lattivazione può avvenire dopo che la proteasi è stata secreta nellapposito compartimento cellulare o nella matrice extracellulare. In alcuni casi (attivazione dellapoptosi) lattivazione può essere a cascata e portare allattivazione di proteasi specifiche.

12 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Enzimi proteolici Classi di enzimi proteolitici: –Proteasi a serina: enzimi digestivi come tripsina, chimotripsina, elastasi... –Differiscono nella specificità del substrato: Chimotripsina: privilegia il taglio del legame peptidico nel quale lAA che impegna il C=O ha una catena laterale. Tripsina: preferisce un AA carico positivamente (Lys o Arg) nella stessa posizione.

13 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Enzimi proteolici: proteasi a serina Il sito attivo (tripsina bovina 3BTK) è fatto da un residuo di serina (Ser195), uno di istidina (His57) e uno di aspartato (Asp102). Durante la catalisi vi è un attacco nucleofilo del OH della serina sul carbonio del carbonile del legame peptidico che deve essere tagliato. Durante la reazione un H + è trasferito dalla serina allanello imidazolico dellistidina, laspartato forma un legame H con listidina.

14 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Enzimi proteolici: proteasi a aspartato Le proteasi ad aspartato comprendono: –La pepsina (enzima digestivo). –Alcune proteasi lisosomiali. –Lenzima renale renina. –Le proteasi dellHIV. Due residui di aspartato sembra partecipino alla catalisi acido/base nel sito attivo. Un aspartato accetta H + da una molecola di H 2 O nel sito attivo che attacca il carbonio carbonilico del legame peptidico. Simultaneamente laltro aspartato cede lH + allossigeno del carbonile del legame peptidico.

15 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Enzimi proteolici: metallo proteasi Appartengono alla classe delle proteasi a Zinco (metalloproteasi): –La carbossipeptidasi (enzima digestivo). –Le metalloproteasi della matrice (collagenasi), coinvolte nella degradazione della matrice extra cellulare durante la crescita dei tessuti. –Una proteasi lisosomiale. Nel sito attivo è presente uno zinc binding motif, con due residui di istidina il cui imidazolo complessa lo ione Zn ++. Nella catalisi lo Zn ++ interagisce con lossigeno del C=O promuovendo lattacco nucleofilo dellossigeno di una molecola di acqua nel sito attivo al carbonio del C=O. Nella carbossipeptidasi un residuo di glutamato facilita la reazione estraendo un H + dallacqua.

16 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Enzimi proteolici: proteasi a cisteina Appartengono alla classe delle proteasi a Cisteine: –La papaina (della Carica Papaya). –Alcune protesi lisosomiali (catepsine). –Le caspasi che si occupano della degradazione delle proteine dellapoptosi (morte cellulare programmata). Le proteasi lisosomiali a cisteina sono omologhe alla papaina. Sono una famiglia molto grande con svariata specificità di substrato. Le caspasi tagliano il lato carbossilico di un aspartato. Il meccanismo delle proteasi a cisteina si pensa che coinvolga la deprotonazione del SH di una cisteina da parte di un residuo vicino di istidina seguito da un attacco nucleofilo dello zolfo al carbonio carbonilico.

17 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Chimotripsina e tripsina Chimotripsinogeno Chimotripsina + 2 peptidi Tripsinogeno Tripsina + peptide 6 AA N-terminale Enterochinasi

18 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Centro catalitico Asp102 His57 Ser195

19 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina E

20 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina ES

21 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina Intermedio tetraedrico

22 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

23 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina Acilenzima

24 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

25 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

26 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina Intermedio tetraedrico

27 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

28 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

29 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

30 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi a serina

31 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Proteasi a serina (1HAX)

32 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Proteasi a serina (1HAX) Ser195 Gly193 His57

33 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Pepsina Secreta dalle cellule della mucosa gastrica (che secernono anche HCl) come pepsinogeno inattivo (40 kD): Taglia con maggior frequenza legami tra aminoacidi aromatici, Met, Leu e produce peptidi e pochi aminoacidi liberi. Pepsinogeno Pepsina pH acido …-AA-AA-AA-AA-… AA + AA-AA + AA-AA-AA -42AA

34 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo delle proteasi ad aspartato

35 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Peptidasi intestinali Procarbossipeptidasi A e B Carbossipeptidasi A B Leucina aminopetidasi

36 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Metallo (zinco) proteasi Uno ione Zn ++ è coordinato con due atomi di azoto di due His, il carbonile di un Glu e H 2 O Lo ione Zn ++ promuove lattacco nucleofilo sul carbonio carbonilico da parte dellatomo di ossigeno dellacqua legata nel sito attivo Il residuo di Glu agisce come base facilita la reazione estraendo un H + dallH 2 O. Zn ++

37 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine II FASE OSSIDATIVA I FASE IDROLITICA III Metabolismo dellazoto

38 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Degradazione degli aminoacidi Gli aminoacidi in eccesso non possono né essere immagazzinati in macromolecole di deposito né essere escreti come tali, vengono quindi demoliti. Proteine Aminoacidi Proteolisi Catena carboniosa NH 4 + Acetil-CoA Acetoacetil- CoA Piruvato Intermedi ciclo di Krebs Acidi grassi Corpi chetonici Glucoso … Urea NH 3 Altri composti azotati semplici Liasi (deaminasi)

39 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Aminoacidi Aminoacidi essenziali –Vengono forniti dallesterno (cibo, simbiosi), –Non possono essere sintetizzati: Fenilalanina, valina, treonina, triptofano, isoleucina, metionina, leucina e lisina Aminoacidi non essenziali –Derivano da -chetoacidi o dal metabolismo di altri aminoacidi.

40 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ossidazione degli aminoacidi La degradazione degli aminoacidi è un processo complesso che coinvolge un numero molto grande di intermedi: Catena Carboniosa Azoto ammoniacale: –Urea –NH 3 Azoto basi azotate: –Acido urico –Urea –NH 3

41 AMMONIO NH 3 + H + Ý NH 4 +

42 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Eliminazione dellazoto La forma molecolare con la quale viene eliminato da un organismo dipende dalla disponibilità di acqua: Ammonio: Ammoniotelici –Invertebrati acquatici Urea: Ureotelici –Pesci, anfibi, bivalvi di acqua dolce Acido allantoico –Alcuni teleostei Allantoina –Molluschi, insetti, mammferi (non primati) Acido Urico: Uricotelici –Insetti, vermi, rettili, uccelli, primati.

43 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Eliminazione dellazoto La forma molecolare con la quale viene eliminato da un organismo dipende dalla disponibilità di acqua: Ammonio: Ammoniotelici –Invertebrati acquatici Urea: Ureotelici –Pesci, anfibi, bivalvi di acqua dolce Acido allantoico –Alcuni teleostei Allantoina –Molluschi, insetti, mammferi (non primati) Acido Urico: Uricotelici –Insetti, vermi, rettili, uccelli, primati. Disponibilità di acqua

44 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Eliminazione dellazoto La forma molecolare con la quale viene eliminato da un organismo dipende dalla disponibilità di acqua: Ammonio: Ammoniotelici –Invertebrati acquatici Urea: Ureotelici –Pesci, anfibi, bivalvi di acqua dolce Acido allantoico –Alcuni teleostei Allantoina –Molluschi, insetti, mammferi (non primati) Acido Urico: Uricotelici –Insetti, vermi, rettili, uccelli, primati. Disponibilità di acqua

45 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 45 -

46 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Eliminazione dellazoto

47 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Destino di NH 4 +

48 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Tre enzimi 1 2 3

49 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Catalizza una delle tappe del ciclo dellurea –Una molecola di ATP attiva il bicarbonato –Una molecola di ATP fosforila il carbammato N-acetiglutamato è un attivatore allosterico essenziale Carbamilfosfato sintasi I (EC )

50 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Carbamilfosfato sintasi I (EC ) ADP

51 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Glutamato deidrogenasi (GDH) (EC X) È un esamero Tre diversi enzimi che usano NADH o NADPH o uno dei due. EC NADH EC NAD(P)H EC NADPH Può operare sia nella via biosintetica che degradativa. Nel secondo caso è attivata allostericamente da ADP e inibita da GTP.

52 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Glutamato deidrogenasi (GDH) (EC X)

53 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Glutamina sintasi (GS) (EC ) Dodecamero Meccanismo:

54 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Glutamina sintasi (GS) (EC )

55 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Correlazione e competizione tra GDH e GS La K m per lo ione ammonio è diversa: K m (GDH) > K m (GS) la conseguenza è che ci si trova in carenza di glutamato che viene consumato più in fretta di quanto la GDH riesca a produrlo. Vi è un sistema di ripristino del glutamato a spese dell-chetoglutarato e della glutamina. GDH GS

56 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine GOGAT Lenzima coinvolto è la Glutamato Ossoglutarato Amino Trasnsferasi (GOGAT). Gli equivalanti riducenti sono diversi: NADH nel lievito NADPH nei batteri Ferredossina ridotta nelle piante.

57 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine GOGAT

58 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Regolazione allosterica della GS La glutamina è un componente centrale nella biosintesi degli aminoacidi e dei nucleotidi, La sua sintesi è estremamente regolata: –In modo allosterico, da prodotti che provengono dalla glutamina, –In modo covalente, –Attraverso la regolazione genica. Linibizione allosterica, da prodotti, è cumulativa, –mediamente ogni inibitore presente a concentrazione saturante satura l11% dellattività.

59 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Regolazione allosterica della GS

60 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Azoto Il primo stadio della degradazione degli aminoacidi è la rimozione del gruppo amminico attraverso le aminotransferasi: AA 1 + -chetoacido 2 -chetoacido 1 + AA 2

61 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Azoto

62 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Transaminazione Le reazione di transaminazione usano come coenzima il piridossal fosfato. Il piridossal fosfato forma una base di Shiff con un residuo di Lys della transaminasi (EC X, uno per ogni aminoacido e oltre).

63 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione

64 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione

65 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione PLP legato alla Lys PLP legato allo ione ammonio AA 1 KG 1 KG 2 AA 2

66 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione Il PLP è legato alla Lys come base di Shiff

67 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione Si lega lAA, la molecola è tenuta in sede da due Arg che danno la specificità Intermedio tetraedrico

68 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione Si forma l-chetoacido e la piridossamina. Piridossamina -chetoacido

69 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Meccanismo della transaminazione Lys 258 Arg 266 Asp 222

70 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine PLP Il PLP è un sistema molto versatile per trasformare aminoacidi: –Il legame C-H (A) è reso più labile nelle transaminasi –Il legame C-COO - (B) è reso più labile nelle decarbossilasi –Il legame C-R (C) è reso più labile nelle aldolasi –Gli enzimi con PLP catalizzano anche reazioni al C e C.

71 Metabolismo dellazoto Ciclo dellurea

72 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea

73 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea

74 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea La carbamil-fosfato sintasi catalizza la reazione di formazione di carbamil-fosfato da CO 2 e NH 3. Intervengono due molecole di ATP, Lenzima deve essere attivato da un effettore allosterico, il N-Acetilglutamato. Questo derivato proviene da acetil-CoA e glutamato quando la concentrazione dei questultimo è alta, segnale di un eccesso di aminoacidi liberi.

75 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea Le due molecole di ATP operano in questo modo: –la prima attiva in carbonato (CO 2 ) per formare il carbonil- fosfato, –Lammoniaca si lega e forma il carbammato liberando il fosfato, –La seconda molecola di ATP lega il carbammato attivandolo.

76 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea

77 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ciclo dellurea e NO

78 Come riutilizzare gli avanzi CO 2, NH 3 e Urea

79 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Urea, CO 2 e NH 3 La CO 2 può essere utilizzata per formare il CaCO 3 con Ca 2+ disciolto nellambiente. Il CaCO 3 si forma dal HCO 3 - e dal Ca ++ Lo ione HCO 3 - si forma spontaneamente da CO 2 e H 2 O per azione dellAnidrasi Carbonica (EC ) Lambiente basico dovuto alla presenza di NH 3 favorisce la precipitazione del carbonato. La NH 3 proviene dalla scissione dellurea catalizzata dallureasi (EC )

80 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine- 80 -

81 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Anidrasi carbonica (EC )

82 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Anidrasi carbonica (EC )

83 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Anidrasi carbonica (EC )

84 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Urea, CO 2 e NH 3

85 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Urea ed ammonica

86 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi EC

87 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi EC (1EF2)

88 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi EC (1EF2)

89 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi EC (1EF2)

90 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi EC (1EJW)

91 V © gsartor Invertebrati marini - Le proteine Ureasi (EC EJW)

92 Crediti e autorizzazioni allutilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: –CHAMPE Pamela, HARVEY Richard, FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN ] – Zanichelli –NELSON David L., COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli –GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli –VOET Donald, VOET Judith G, PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: –Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes –Brenda: –Protein Data Bank: –Rensselaer Polytechnic Institute: Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: oppure da gsartor.org/http://www. gsartor.org/ Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto lautore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor Università di Bologna a Ravenna Giorgio Sartor -


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