Peptidi, proteine ed enzimi Immagini e testi tratti da Massimo Stefani, Niccolò Taddei - Percorsi di Biochimica - Ed. Zanichelli - 2014 1 1

Gli amminoacidi possono formare catene Due amminoacidi possono unirsi tra loro attraverso il legame ammidico detto legame peptidico, tra il gruppo –NH2 di un amminoacido e quello –COOH dell'altro amminoacido, con liberazione di una molecola d'acqua. L'unione di due amminoacidi genera un dipeptide. Più amminoacidi uniti tra di loro generano un biopolimero detto polipetide. 2 2

Le proteine sono polipeptidi strutturati (I) Le catene polipeptidiche possono ripiegarsi dando origine alle proteine, che sono quindi costituite da polimeri di amminoacidi. La differenza tra un polipeptide e una proteina propriamente detta, consiste nel fatto che la catena polipeptidica della proteina assume una particolare conformazione spaziale che le conferisce le sue caratteristiche funzionali (per esempio un enzima, un anticorpo, un recettore di membrana). 3 3

Le proteine sono polipeptidi strutturati (II) La struttura della proteina è determinata dalla sua composizione amminoacidica. In particolare, la natura delle catene laterali R determina il ripiegamento dei diversi segmenti della catena secondo strutture precise. 4 4 4

I diversi livelli strutturali delle proteine (I) In una proteina si distinguono: la struttura primaria, ovvero la sequenza lineare degli amminoacidi della catena polipeptidica; la struttura secondaria, determinata da forme di ripiegamento assunte spontaneamente da segmenti della catena polipeptidica, in funzione della loro composizione amminoacidica; 5 5

I diversi livelli strutturali delle proteine (II) la struttura terziaria, costituita da ulteriori ripiegamenti e interazioni tra le strutture secondarie delle varie porzioni della catena. Anche questa dipende dalla natura dei gruppi R degli amminoacidi; la struttura quaternaria, costituita dall'associazione di più catene polipeptidiche a formare proteine con più subunità. 6 6 6

I diversi livelli strutturali delle proteine (III) 7 7 7

Struttura primaria: il legame peptidico Il legame peptidico è rigido e impone una limitazione alle possibili conformazioni delle catene peptidiche. 8 8 8

Struttura secondaria: l'alfa-elica Le catene polipeptidiche possono avvolgersi lungo il proprio asse formando una struttura elicoidale detta alfa elica. Nella cheratina della lana, sette alfa eliche sono avvolte una sull'altra formando una fibra. α-cheratina dei capelli umani Struttura -elica 9 9

Struttura secondaria: il foglietto beta Se si scalda l'alfa-cheratina, si rompono i legami idrogeno tra le unità dell'elica e la proteina assume una forma più allungata e rigida: la beta-cheratina, fatta di foglietti beta. Per questo i parrucchieri per "stirare" i capelli li scaldano prima. Struttura del foglietto beta 10 10

Struttura terziaria Le proteine sono costituite da catene polipeptidiche molto lunghe: una proteina "media" ha 500-700 amminoacidi, ma ci sono proteine con migliaia di amminoacidi. Diversi segmenti di queste catene possono assumere conformazioni a foglietto , -elica o anche rimanere non strutturate. Le strutture secondarie a loro volta si ripiegano in complesse conformazioni spaziali, caratteristiche di ciascuna proteina. È questa la struttura terziaria. 11 11

Il ripiegamento delle proteine (I) Le proteine assumono la struttura terziara in un processo detto ripiegamento (folding). Un primo ripiegamento avviene già durante la sintesi proteica nella cellula, mano a mano che la catena polipeptidica esce dal ribosoma. In questa fase, nell'ambiente acquoso, i segmenti con amminoacidi idrofobici tenderanno a ripiegarsi all'interno, lasciando all'esterno i gruppi idrofili. Nelle proteine solubili, gli amminoacidi con gruppi idrofili (rappresentati dai quadrati) si dispongono sulla superficie. 12 12

Il ripiegamento delle proteine (II) La proteina parzialmente ripiegata entra poi nel reticolo endoplasmatico della cellula, dove il ripiegamento si completa grazie alla presenza all’intervento di particolari proteine che avvolgono la catena polipeptidica e favoriscono il processo di ripiegamento. Struttura terziaria dell’enzima lisozima 13 13

Struttura terziaria e funzione Le proteine con proprietà simili hanno spesso una struttura terziaria simile. Le proteine fibrose come la cheratina o il collagene hanno forma allungata, sono insolubili in acqua e formano strutture robuste. Le proteine solubili invece tendono a una forma sferica e sono dette globulari. I recettori proteici hanno un dominio idrofobico esteso che attraversa la membrana cellulare e uno globulare che sporge all'esterno. 14 14

Struttura terziaria e funzione: i recettori I recettori proteici sono in grado di legare molecole o altre proteine presenti nello spazio extracellulare. Il sito di legame assume una struttura terziaria specifica per accogliere uno specifico ligando. 15 15

Legame ormone-recettore Un recettore è selettivo nei confronti di un solo enantiomero, come una mano che interagisce con un altro oggetto chirale. 16 16

Struttura terziaria e funzione: gli enzimi Un'altra importante classe di proteine le cui funzioni dipendono strettamente dalla struttura terziaria sono gli enzimi. Gli enzimi sono dei catalizzatori biologici la cui funzione è rendere possibile lo svolgimento delle reazioni chimiche del metabolismo cellulare. 17 17

Le reazioni chimiche richiedono energia In ogni reazione chimica, due o più molecole (chiamate substrati) si combinano per generare una o più nuove molecole (i prodotti). L'energia richiesta per rompere i legami i substrati e generare i prodotti è detta energia di attivazione, in quanto serve a portare le molecole dei substrati in uno stato di transizione o stato attivato, in cui possono combinarsi nei prodotti. 18 18

A cosa servono gli enzimi Alcune reazioni hanno una bassa energia di attivazione, per cui il calore presente nell'ambiente cellulare (circa 37°C) è sufficiente ad attivare i substrati. La maggior parte delle reazioni metaboliche (come la glicolisi o l'ossidazione degli acidi grassi) ha tuttavia un'energia di attivazione elevata e non avverrebbe praticamente mai spontaneamente nelle condizioni cellulari. 19 19

Profilo energetico di reazione Gli enzimi servono ad abbassare l'energia di attivazione per passare dai substrati ai prodotti, rendendo possibili le reazioni del metabolismo cellulare. Come si vede dall'immagine, il salto di energia necessario per attivare i substrati è minore in presenza degli enzimi (curva blu). 20 20

Come funzionano gli enzimi Gli enzimi possiedono pieghe chiamate siti attivi, in cui le catene R degli amminoacidi prendono contatto con i gruppi reattivi dei substrati facilitando la sintesi dei prodotti. 21 21

Legame enzima-substrato L'enzima forma con il substrato il complesso ES (enzima-substrato), grazie alla complementarietà del suo sito di legame in cui catene laterali R degli amminoacidi sono posizionate in maniera ottimale per interagire con le porzioni corrispondenti della molecola di substrato. 22 22

Il complesso ES è un sistema dinamico Il substrato entra nel sito di legame attraverso la complementarietà strutturale (modello chiave-serratura); l'interazione del substrato con l'enzima causa una modificazione della struttura terziaria di quest'ultimo che assume la conformazione attiva in cui i substrati sono correttamente posizionati per la catalisi (adattamento indotto). 23 23

Gli enzimi sono regolati (I) Oltre a rendere possibile le reazioni metaboliche, gli enzimi sono importanti punti di regolazione e la loro attività può essere regolata: dalla concentrazione dei substrati e dei prodotti; dal pH; da cofattori essenziali per la reazione come gli ioni metallici Ca2+, Mg2+, Mn2+, Zn2+; dalla temperatura. 24 24

Gli enzimi sono regolati (II) Esistono inoltre molecole o addirittura piccole proteine che, legandosi a un enzima, lo possono attivare o inibire. Agendo sugli enzimi, la cellula è in grado di operare una fine regolazione della velocità delle sue vie metaboliche. Schema generale della regolazione enzimatica: C e R indicano rispettivamente la subunità catalizzatrice e quella regolatrice dello stesso enzima 25 25 25

Nomenclatura degli enzimi (I) Le migliaia di enzimi esistenti possono essere raggruppati in 6 classi principali in base al tipo di reazione che catalizzano. A loro volta queste classi sono divise in sotto- e sotto-sottoclassi. 26 26

Struttura quaternaria (I) Molte proteine ed enzimi sono in realtà complessi formati da più subunità. Ogni subunità è una proteina essa stessa, ma solo la loro associazione conferisce al complesso le sue proprietà funzionali. Questa associazione è detta struttura quaternaria. (A) La proteina cro del fago λ (un virus) è formata da due subunità identiche (omodimero). (B) Il rivestimento esterno del virus del raffreddore (capside) è un eteromultimero costituito da 60 copie di quattro subunità diverse. 27 27

Struttura quaternaria (II) Un esempio è l'emoglobina, che ha quattro subunità di due tipi differenti. Grazie ai loro gruppi eme, le quattro subunità insieme generano il principale trasportatore di ossigeno cellulare. 28 28 28