Le proteine Fondamentali in ogni organismo, hanno molteplici ruoli: Componenti strutturali (collagene, tessuto connettivo, citoscheletro, pelle) Trasportatori (emoglobina, albumina) Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici) Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi) Difesa contro i patogeni (immunoglobuline) Controllo e regolazione dell’espressione genica (istoni) Deposito di materiale (ferritina) Proteine dei sistemi contrattili (miosina) Es. Albumina: aumenta solubilita’ degli acidi grassi nel sangue Istoni: proteine nucleiche, formano la cromatina insieme al DNA

gli aminoacidi le proteine sono sequenze lineari di 20  -aminoacidi tutti gli aminoacidi (tranne la prolina) hanno una struttura comune con un gruppo amminico ed uno carbossilico (elettricamente carichi a pH 7) ogni aminoacido ha una catena caratteristica R (residuo) che può variare in lunghezza e complessità (glicina ha un solo H). Tali residui si possono dividere in polari (idrofilici) e non polari (idrofobici)

peptidi, polipeptidi e proteine gli aminoacici sono uniti tra loro da legami peptidici # aminoacidi peptide (oligopeptide)<20 polipeptide<60 proteina>60 energia di legame 100 Kcal/mol non vengono rotti con l’ebollizione, ma solo con l’azione prolungata di acidi o basi concentrate gli enzimi proteolitici sono in grado di rompere tali legami esistono sequenze lunghe da pochi aminoacidi a migliaia di aminoacidi con peso molecolare da 5 a 1000 KDalton (1 Dalton = 1/12 massa 12 C)

struttura delle proteine La struttura di una proteina determina le sue proprietà. Si distinguono diversi livelli di organizzazione delle proteine: Struttura primaria (sequenza degli aminoacidi) –Sede delle mutazioni genetiche –Sempre lineare Struttura secondaria (conformazione della catena) –Indipendente dai gruppi R –α-elica o β-a pieghe Struttura terziaria (tridimensionalità della catena, folding) –Relazioni locali o remote dei gruppi R –Localizzazione dei ponti S-S Struttura quaternaria (interazioni non covalenti fra più catene) NB: Le strutture 2a, 3a e 4a dipendono dalla struttura 1a

proteine: struttura primaria riguarda la sequenza “lineare” degli aminoacidi struttura covalente (legami peptidici).Sequenza di 2: 20 x 20 = 202 = 400 dipeptidi diversi.Sequenza di 3: 20 x 20 x 20 = 203 = 8000 tripeptidi diversi.Sequenza di 100: = 1.27x10130 peptidi diversi Di tutte queste possibili forme, l’evoluzione ha scelto solo alcune, che rappresentano il risultato di una precisa selezione mirata ad ottimizzare la funzione della proteina

proteine: struttura secondaria strutture dovute ad interazioni “locali” di tipo ponte-H  -elica ponte-H ogni 3,6 aminoacidi Il legame H si instaura tra l’H dell’azoto amidico e l’O del gruppo carbonilico residui esterni alla spirale  -foglietto legami idrogeno fra aminoacidi di catene diverse foglietto piegato

Ogni idrogeno ammidico è coinvolto in un legame idrogeno con il carbonile di un altro amminoacido

Legame H  -elica ponte-H ogni 3,6 aminoacidi Il legame H si instaura tra l’H dell’azoto amidico e l’O del gruppo carbonilico

Esempio di proteina composta da alfa eliche

Nei foglietti pieghettati ci sono ancora dei legami ad idrogeno, ma stavolta sono tra fogli adiacenti (sheet)

 Sheet Stabilizzata da legami H intercatena tra N-H & C=O 2 Orientations Parallel Not optimum H-bonds; less stable Anti-parallel Optimum H-bonds; more stable

Come si orientano i legami negli amminoacidi? Guardate i carbonili! Nell’alfa elica puntano nella stessa direzione, mentre nei foglietti pieghettati sono alternati

Super-secondary Structure  -turns in a protein chain allow helices and sheets to align side-by-side  meander

proteine: struttura terziaria Determina la struttura 3D Stabilizzata da ponti S-S interazioni idrofobiche interazioni elettrostatiche (legami ionici) legami di Wan der Waals Suscettibile di denaturazione-rinaturazione ponti disolfuro R apolari verso l’interno (eccetto in proteine integrali di membrana) R polari verso l’esterno (solvatati da H 2 O)

Form between adjacent cysteine sulfhydryl groups (-S-H). Formation is oxidation, disulfide breaking is reduction. Denatured inactive ribonuclease

proteine: struttura terziaria struttura 3D effetto dell’interazione idrofobica

Come si forma una struttura terziaria? Ponti S_S Formazione di sali Interazioni idrofobiche Legame idrogeno

Proteine: Fibrose Insolubili in acqua Utilizzate per tessuti connettivi Seta, collagene, cheratina Proteine globulari Solubili in acqua Usate per proteine cellulari Hanno un struttura complessa tridimensionale Struttura terziaria di proteine

Domains Many recognizable domains can also be found in other proteins Some domains are used repeatedly in the same protein Complement control domain Immunoglobulin domain Fibronectin type 1 domain

Proteine globulari e fibrose Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali: proteine globulari e fibrose. Proteine globulari Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare. Contengono più tipi di struttura secondaria. Le proteine globulari comprendono : enzimi, proteine di trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline, etc.

Proteine Fibrose Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti. In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria. Sono insolubili in H 2 O per la presenza di elevate [ ] di AA idrofobici. Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche. Sono adatte a ruoli strutturali (p.es.  -cheratina, collageno).

Proteine Fibrose e Globulari Le proteine possono essere divise in due classi: Proteine fibrose Proteine Globulari

Le Proteine Fibrose Sono di origine animali, insolubili in acqua, Assolvono ruoli strutturali per lo più. Si dividono in tre categorie:  le cheratine  i collageni  le sete Formano tessuti protettivi Formano tessuti connettivi Come i bozzoli dei bachi da seta

Le Proteine Fibrose Cheratine e collageni hanno strutture ad elica, Le sete hanno struttura foglietto beta Gruppi apolari e ponti disolfuro tendono a conferire rigidità e insolubilità alle proteine fibrose.

Le Proteine Globulari Sono solubili in acqua, di forma quasi sferica, Assolvono funzioni biologiche. Possono essere: Enzimi Ormoni Proteine di trasporto Proteine di deposito

Le Proteine Globulari Contengono amminoacidi con catene polari e carichi, Sono strutture elicoidali. Mioglobina, proteina globulare che trasporta l’ossigeno nei muscoli. Le interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R, e alla capacità di formare legame ad idrogeno.

proteine: struttura quaternaria associazioni non covalenti di più subunità ( 4, aspartato transcarbamilasi 12, virus del mosaico del tabacco >2000) sede dell’allosterismo (interazioni fra le subunità con conseguenze funzionali) emoglobina Modello di enzima allosterico A induce una conformazione con maggiore affinità per S I diminuisce l’affinità dell’enzima per S

Struttura quaternaria delle proteine Molte proteine NON sono un’unica catena polipeptidica Sono combinazione di “oggetti” Aggregati di proteine (globulari o fibrose) Ci possono essere parecchie unità identiche Molte proteine inglobano un gruppo non proteico che viene utilizzato per compiere una funzione specifica e viene detto PROSTETICO

Proteinamolecole composte da una o più catene polipeptidiche Proteine monomeriche Proteine multimeriche omomultimeriche eteromultimeriche (stesso tipo di polipeptide) (diversi tipi di polipeptidi)

EME = ferro porfirina Mioglobina contiene 1 gruppo eme Emoglobina contiene 4 gruppi eme Pirrolo!!!

riepilogo struttura proteine

Alcune proteine… Insulina umana 51 residui 3 ponti disolfuro

Catalytic elements Enzymes are proteins that - recognize a substrate molecule and catalyze its turning into product molecule via a chemical reaction - signal is indirect (change in pO 2, pH, H 2 O 2, color, temperature, etc.) - mediator molecules - direct electron transfer from redox enzyme speed up (up to 1014 times) without having any influence on the equilibrium constant K

enzima

Varie strutture quaternarie

Le interazioni non covalenti che partecipano nella definizione della struttura delle biomolecole

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.

Il problema del “folding”: che cosa determina la struttura tridimensionale delle proteine? In genere la sequenza amminoacidica contiene la informazione completa per il raggiungimento della struttura funzionale