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AMMINOACIDI = H = CH 3 = CH 2 OH SH = CH 2 O O OH glicina R R R R R R alanina serina cisteina fenilalanina tirosina Gli amminoacidi che costituiscono le.

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1 AMMINOACIDI = H = CH 3 = CH 2 OH SH = CH 2 O O OH glicina R R R R R R alanina serina cisteina fenilalanina tirosina Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 appartenenti alla serie L COO - +H3N+H3N

2 Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R Le catene laterali di tali a.a. danno origine ad interazioni idrofobiche che stabilizzano la struttura terziaria delle proteine

3 Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R Le catene laterali di questi a.a. sono più idrofiliche di quelle degli a.a. non polari per la presenza di gruppi funzionali in grado di formare legami idrogeno con lacqua

4 Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R Amminoacidi con catene laterali acide Amminoacidi con catene laterali basiche Le catene laterali di questi a.a. sono più idrofiliche per la presenza di cariche nette positive o negative

5 Abbreviazioni e simboli degli α-amminoacidi

6 Spettro di assorbimento degli amminoacidi aromatici

7 La cisteina può formare ponti disolfuro

8 Stereoisomeria degli amminoacidi Il carbonio degli amminoacidi è legato a 4 gruppi chimici diversi (tranne la glicina) ed è quindi un atomo di carbonio chirale o otticamente attivo. Poiché la disposizione degli orbitali di legame intorno al carbonio è tetraedrica, i 4 gruppi chimici possono disporsi nello spazio in due modi diversi e quindi gli amminoacidi possono esistere in due forme speculari non sovrapponibili, indicate con D e L. Le due forme si definiscono stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri, otticamente attive in quanto possono ruotare il piano della luce polarizzata. Gli amminoacidi presenti nelle proteine sono tutti stereoisomeri L.

9 Stereoisomeria degli amminoacidi Per tutti i composti chiralici, gli stereoisomeri che hanno configurazioni assolute correlate alla L-gliceraldeide sono designati con la lettera L; gli stereoisomeri correlati con la D-gliceraldeide sono indicati con la lettera D

10 Proprietà acido-basiche degli amminoacidi

11 H2H2 + H + Acido (donatore di protoni) Base (accettore di protoni) + H + H Le sostanze che hanno questa doppia natura sono anfotere e sono chiamate anfoliti

12 Forme ioniche dellalanina nelle soluzioni acide, neutre e basiche Il pH al quale la carica netta di un amminoacido è uguale a zero viene definito punto isoelettrico (pI). A valori di pH superiori al pI la.a. ha carica netta negativa, a valori di pH inferiori al pI la.a. ha carica netta positiva

13 Alcuni amminoacidi modificati

14 Gli amminoacidi costituenti le proteine: Sono venti, -amminoacidi, appartenenti alla serie L Sono anfoteri Caratterizzati da un punto isoelettrico (pI) dovuto ai gruppi ionizzabili Esistono numerosi altri amminoacidi con ruoli diversi La sequenza degli amminoacidi (struttura primaria) determina la struttura spaziale della proteina La struttura determina la funzione della proteina

15 Amminoacidi essenzialiAmminoacidi non essenziali ArgininaAlanina IstidinaAsparagina IsoleucinaAspartato LeucinaCisteina LisinaGlutammato MetioninaGlutammina FenilalaninaGlicina TreoninaProlina TriptofanoSerina ValinaTirosina

16 Amminoacidi essenziali in alcune specie animali SuinoPulcinoRatto Argininasi Fenilalaninasi Isoleucinasi Istidinasi Leucinasi Lisinasi Metioninasi Tirosinasi no Treoninasi Triptofanosi Valinasi Glicinanosino

17 Il legame peptidico

18 Struttura del dipeptide valilalanina

19 Oligopeptide = pochi amminoacidi Polipeptide = numerosi amminoacidi (massa molecolare < Da) Proteina =migliaia di amminoacidi (massa molecolare > Da)

20 Struttura del pentapeptide seril-glicil-tirosil-alanil-leucina (Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu) Per convenzione lestremità amminica libera (N-terminale) si scrive a sinistra e lestremità carbossilica libera (C-terminale) a destra. Lunione di più amminoacidi mediante legami peptidici genera un polipeptide. Ciascun amminoacido componente un polipeptide si chiama residuo.

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22 Il legame peptidico è un sistema planare Sei atomi giacciono sullo stesso piano

23 Classificazione delle proteine in base alla loro composizione PROTEINE SEMPLICI: contengono solo amminoacidi (ad es. gli enzimi ribonucleasi e chimotripsina) PROTEINE CONIUGATE: sono composte da amminoacidi e da una parte non amminoacidica (gruppo prostetico)

24 ClasseGruppo prosteticoEsempio LipoproteineLipidi 1 -lipoproteina del sangue GlicoproteineCarboidratiImmunoglobulina G FosfoproteineGruppi fosforiciCaseina del latte EmoproteineEme (ferro porfirina)Emoglobina FlavoproteineNucleotidi flaviniciSuccinato deidrogenasi Metalloproteine FerroFerritina ZincoAlcol deidrogenasi CalcioCalmodulina MolibdenoDinitrogenasi RamePlastocianina Proteine coniugate

25 Classificazione delle proteine in base alla loro funzione biologica ENZIMI: ossidoreduttasi, trasferasi, isomerasi, ecc. PROTEINE DI TRASPORTO: emoglobina, albumina, ecc. PROTEINE DI RISERVA: ovalbumina, caseina, ecc. PROTEINE CONTRATTILI: actina, miosina, tubulina, dineina PROTEINE STRUTTURALI: collageno, elastina, cheratina, ecc. PROTEINE DI DIFESA: immunoglobuline, tossine batteriche PROTEINE REGOLATRICI: ormoni polipeptidici (insulina, ormone della crescita ipofisario), proteine G, ecc.

26 Le proteine sono sostanze anfotere Si definisce punto isoelettrico (pI) di una proteina il valore di pH al quale la proteina ha carica totale nulla Una proteina a pH = pI non migra in un campo elettrico Il pI di una proteina è caratteristico di ogni proteina e dipende dal numero, dal tipo e dalla disposizione degli amminoacidi acidi e basici allinterno della molecola pH > pI proteina carica negativamente pH < pI proteina carica positivamente

27 Struttura covalente delle proteine Relazione struttura-funzione delle proteine Tutte le proteine naturali sono composte con gli stessi 20 amminoacidi La loro diversa funzione è dipendente da: - differente numero di amminoacidi che le compongono - differente sequenza in cui sono disposti i residui amminoacidici; ciascuna distinta sequenza amminoacidica si organizza in una specifica struttura tridimensionale che determina la funzione della proteina La sequenza dei residui amminoacidici costituisce la STRUTTURA PRIMARIA di una proteina

28 Livelli di struttura nelle proteine STRUTTURA PRIMARIA: sequenza lineare di residui amminoacidici uniti da legami covalenti STRUTTURA SECONDARIA: regolare ripetizione di conformazioni dello scheletro polipeptidico, legata alla formazione di legami idrogeno tra lazoto ammidico e lossigeno carbonilico dei legami peptidici. Le più comuni strutture secondarie sono l -elica e la conformazione STRUTTURA TERZIARIA: relazione spaziale tra tutti gli amminoacidi di una catena polipeptidica, legata alla formazione di interazioni tra le catene laterali di amminoacidi non adiacenti STRUTTURA QUATERNARIA: relazione spaziale di due o più catene polipeptidiche allinterno di una proteina

29 Livelli di struttura nelle proteine

30 Struttura secondaria delle proteine: -elica

31 L -elica È stabilizzata da legami a idrogeno tra lossigeno carbonilico di un legame peptidico e latomo di H legato allatomo di N di un altro legame peptidico posizionato 4 residui più avanti nella catena polipeptidica. Ogni giro dellelica è tenuto unito a quello adiacente da numerosi legami idrogeno che rendono, così, la struttura stabile Lelica è destrorsa Le catene laterali degli amminoacidi sporgono verso lesterno dellelica La prolina destabilizza lelica

32 Struttura secondaria delle proteine: conformazione

33 Conformazione Foglietto ) Struttura secondaria costituita da catene polipeptidiche distese (filamenti ) con andamento a zig zag. I filamenti sono stabilizzati da legami idrogeno tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica. Le catene laterali di residui amminoacidici adiacenti si proiettano alternativamente sopra e sotto il piano del foglietto. Filamenti adiacenti possono essere orientati nella stessa direzione (paralleli) o in direzione opposte (antiparalleli).

34 Struttura secondaria delle proteine: Ripiegamento Ripiegamento di 180° con cui una catena polipetidica inverte direzione Comprende quattro amminoacidi in sequenza ed è stabilizzata da un legame idrogeno tra il 1° e il 4° amminoacido Spesso sono presenti residui di Pro, Gly

35 Struttura terziaria delle proteine Ripiegamento di una proteina nello spazio tridimensionale Caratteristica della struttura terziaria è che amminoacidi lontani nella struttura primaria vengono a trovarsi vicini, consentendo lo stabilirsi di interazioni tra le loro catene laterali La struttura terziaria è stabilizzata prevalentemente da interazioni deboli (non covalenti) ed in qualche caso da ponti disolfuro (legami covalenti).

36 Struttura terziaria delle proteine

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38 Struttura quaternaria delle proteine La struttura quaternaria definisce lorganizzazione spaziale in complessi tridimensionali di proteine costituite da due o più catene polipeptidiche (subunità) uguali o diverse. Le subunità sono tenute assieme da interazioni deboli non covalenti (ad es. legami idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche). Proteina dimerica = costituita da due subunità Proteina trimerica = costituita da tre subunità Proteina tetramerica = costituita da quattro subunità Proteina multimerica = costituita da numerose subunità

39 Struttura quaternaria delle proteine Emoglobina

40 Classificazione delle proteine in base ai livelli strutturali PROTEINE FIBROSE Costituite in gran parte da un unico tipo di struttura secondaria Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti Determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule nei vertebrati Insolubili in acqua: presenza di molti amminoacidi idrofobici sia allinterno che allesterno della proteina PROTEINE GLOBULARI Contengono più tipi di struttura secondaria Hanno catene polipeptidiche ripiegate per assumere una forma globulare o sferica La maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici sono globulari Più solubili in acqua: presentano un interno idrofobo e una superficie idrofila

41 Proteine fibrose: -cheratina Componente dei capelli, lana, penne, unghie, artigli, corna, zoccoli e strati esterni della pelle È costituita da una struttura ad -elica destrorsa Due catene di -elica si avvolgono in un superavvolgimento sinistrorso Ha un ruolo strutturale È ricca di Cys che formano ponti disolfuro trasversali tra fibre adiacenti, aumentandone la resistenza 18 % Cys

42 -cheratina dei capelli

43 La permanente dei capelli riduzione piegaossidazione

44 Proteine fibrose: collagene, una tripla elica È la proteina più abbondante nei vertebrati Principale componente dei tessuti connettivi (ossa, tendini, denti, cartilagini) Tre catene sinistrorse (catene ) avvolte tra loro a formare una tripla elica destrorsa Composizione amminoacidica particolare –Un residuo ogni tre è una glicina –Ricco in prolina – Amminoacidi inusuali (idrossilisina, idrossiprolina: formano ponti a idrogeno)

45 Alterazione delle caratteristiche strutturali e funzionali di una proteina senza alterazione della sua struttura primaria Denaturazione reversibile irreversibile Agenti denaturanti: fisici e chimici Fisici: calore, radiazioni, ultrasuoni Chimici: Soluzioni di acidi o basi forti, sali di metalli pesanti, urea e guanidina Effetto della denaturazione: perdita della funzionalità della proteina Denaturazione

46 Esperimento di Anfinsen (Nobel per la Chimica 1972)

47 Ripiegamento delle proteine In E. Coli, una proteina attiva di 100 aa è prodotta in circa 5 secondi a 37 °C Un processo casuale per tentativi richiederebbe venti miliardi di anni Alcune proteine (chaperoni) guidano lavvolgimento (ad esempio, heat shock proteins)

48 Ripiegamento delle proteine

49 LLe proteine possono avere un alterato avvolgimento per: - Cambiamento struttura primaria - Difetto di chaperonine - Influenza di altre proteine

50 DiseaseProtein Involved Inability to foldCystic fibrosisCFTR Gaucher's diseaseβ-glucocerebrosidase Fabry disease α- galactosidase A Marfan syndromeFibrillin Amyotrophic lateral sclerosisSuperoxide dismutase ScurvyCollagen Maple syrup urine disease α -Ketoacid dehydrogenase complex Cancerp53 Osteogenesis imperfecta Type I procollagen pro α Mislocalization owing to misfolding Familial hypercholesterolemiaLDL receptor α1-Antitrypsin deficiency α -Antitrypsin tay-Sachs diseaseβ-Hexoseaminidase Retinitis pigmentosaRhodopsin LeprechunismInsulin receptor Malattie da proteine non correttamente avvolte

51 DiseaseProtein Involved Systemic extra cellular amyloidoses primary systemic amyloidosisIntact Ig light chains or fragments secondary systemic amyloidosisFragments of serum amyloid A protein familial Mediterranean feverFragments of serum amyloid A protein Familial amyloidotic polyneuropathy1 Mutant transthyretin and fragments Senile systemic amyloidosiswild-type transthyretin and fragments Familial amyloidotic polyneuropathy II Fragments of apolipoprotein A-1 Haemodialysis-related amyloidosis 2-Microglobulin Finnish hereditary amyloidosisFragments of mutant gelsolin Lysozyme amyloidosisFull-length mutant lysozyme Insulin-related amyloidFull-length insulin Fibrinogen α -chain amyloidosisFibrinogen α -chain variants Organ-limited extra cellular amyloidoses Alzheimer's diseaseAmyloid β -peptide Spongiform encephalopathiesPrion protein Hereditary cerebral hemorrhage with amyloidosis Amyloid β -peptide or cystatin C Type II diabetesAmylin (Islet amyloid polypeptide) Medullary carcinoma of the thyroid Procalcitonin Atrial amyloidosisAtrial natriuretic factor

52 Intracellular amyloidoses Alzheimer's diseaseAmyloid β -peptide, Tau Frontotemporal dementia with parkinsonism Tau Parkinson's disease; dementia with Lewy bodies α -Synuclein Creutzfeldt-Jakob diseasePrion protein Polyglutamine expansion diseases Long glutamine stretches within certain proteins Amyotrophic lateral sclerosisSuperoxide dismutase

53 Le malattie prioniche Il prione buono (PrPc)…. e quello cattivo (PrPsc) resistente a tutto e contagioso La conversione PrPc PrPsc è autocatalitica

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