AMMINOACIDI R = H glicina COO- +H3N = CH3 alanina = CH2 OH serina SH = CH2 cisteina = CH2 O fenilalanina = CH2 O OH tirosina Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 appartenenti alla serie L

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

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 l’acqua

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

Abbreviazioni e simboli degli α-amminoacidi

Spettro di assorbimento degli amminoacidi aromatici

La cisteina può formare ponti disolfuro

Stereoisomeria degli amminoacidi Il carbonio a 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.

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

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi

Proprietà acido-basiche degli amminoacidi Acido (donatore di protoni) H2 + H+ Base (accettore di protoni) H + H+ Le sostanze che hanno questa doppia natura sono anfotere e sono chiamate anfoliti

Forme ioniche dell’alanina 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 l’a.a. ha carica netta negativa, a valori di pH inferiori al pI l’a.a. ha carica netta positiva

Alcuni amminoacidi modificati

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

Amminoacidi essenziali Amminoacidi non essenziali Arginina Alanina Istidina Asparagina Isoleucina Aspartato Leucina Cisteina Lisina Glutammato Metionina Glutammina Fenilalanina Glicina Treonina Prolina Triptofano Serina Valina Tirosina

Amminoacidi essenziali in alcune specie animali Suino Pulcino Ratto Arginina si Fenilalanina Isoleucina Istidina Leucina Lisina Metionina Tirosina no Treonina Triptofano Valina Glicina

Il legame peptidico

Struttura del dipeptide valilalanina

Oligopeptide = pochi amminoacidi Polipeptide = numerosi amminoacidi (massa molecolare < 10000 Da) Proteina = migliaia di amminoacidi (massa molecolare > 10000 Da)

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

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

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)

Proteine coniugate Classe Gruppo prostetico Esempio Lipoproteine Lipidi b1-lipoproteina del sangue Glicoproteine Carboidrati Immunoglobulina G Fosfoproteine Gruppi fosforici Caseina del latte Emoproteine Eme (ferro porfirina) Emoglobina Flavoproteine Nucleotidi flavinici Succinato deidrogenasi Metalloproteine Ferro Ferritina Zinco Alcol deidrogenasi Calcio Calmodulina Molibdeno Dinitrogenasi Rame Plastocianina

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.

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 all’interno della molecola pH > pI proteina carica negativamente pH < pI proteina carica positivamente

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

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 l’azoto ammidico e l’ossigeno carbonilico dei legami peptidici. Le più comuni strutture secondarie sono l’a-elica e la conformazione b 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 all’interno di una proteina

Livelli di struttura nelle proteine

Struttura secondaria delle proteine: a-elica

L’-elica È stabilizzata da legami a idrogeno tra l’ossigeno carbonilico di un legame peptidico e l’atomo di H legato all’atomo di N di un altro legame peptidico posizionato 4 residui più avanti nella catena polipeptidica. Ogni giro dell’elica è tenuto unito a quello adiacente da numerosi legami idrogeno che rendono, così, la struttura stabile L’elica è destrorsa Le catene laterali degli amminoacidi sporgono verso l’esterno dell’elica La prolina destabilizza l’elica

Struttura secondaria delle proteine: conformazione b

Conformazione b (Foglietto b) Struttura secondaria costituita da catene polipeptidiche distese (filamenti b) con andamento a zig zag. I filamenti b 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 b adiacenti possono essere orientati nella stessa direzione (paralleli) o in direzione opposte (antiparalleli).

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

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).

Struttura terziaria delle proteine

Struttura terziaria delle proteine

Struttura quaternaria delle proteine La struttura quaternaria definisce l’organizzazione 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

Struttura quaternaria delle proteine Emoglobina

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 all’interno che all’esterno 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

Proteine fibrose: a-cheratina Componente dei capelli, lana, penne, unghie, artigli, corna, zoccoli e strati esterni della pelle È costituita da una struttura ad a-elica destrorsa Due catene di a-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

a-cheratina dei capelli

La “permanente” dei capelli riduzione piega ossidazione

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 a) 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)

Denaturazione 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

Esperimento di Anfinsen (Nobel per la Chimica 1972)

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” l’avvolgimento (ad esempio, heat shock proteins)

Ripiegamento delle proteine

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

Malattie da proteine non correttamente avvolte   Disease Protein Involved Inability to fold Cystic fibrosis CFTR Gaucher's disease β-glucocerebrosidase Fabry disease α- galactosidase A Marfan syndrome Fibrillin Amyotrophic lateral sclerosis Superoxide dismutase Scurvy Collagen Maple syrup urine disease α-Ketoacid dehydrogenase complex Cancer p53 Osteogenesis imperfecta Type I procollagen pro α Mislocalization owing to misfolding Familial hypercholesterolemia LDL receptor α1-Antitrypsin deficiency α-Antitrypsin tay-Sachs disease β-Hexoseaminidase Retinitis pigmentosa Rhodopsin Leprechunism Insulin receptor

Disease Protein Involved Systemic extra cellular amyloidoses   Disease Protein Involved Systemic extra cellular amyloidoses primary systemic amyloidosis Intact Ig light chains or fragments secondary systemic amyloidosis Fragments of serum amyloid A protein familial Mediterranean fever Familial amyloidotic polyneuropathy1 Mutant transthyretin and fragments Senile systemic amyloidosis wild-type transthyretin and fragments Familial amyloidotic polyneuropathy II Fragments of apolipoprotein A-1 Haemodialysis-related amyloidosis 2-Microglobulin Finnish hereditary amyloidosis Fragments of mutant gelsolin Lysozyme amyloidosis Full-length mutant lysozyme Insulin-related amyloid Full-length insulin Fibrinogen α-chain amyloidosis Fibrinogen α-chain variants Organ-limited extra cellular amyloidoses Alzheimer's disease Amyloid β-peptide Spongiform encephalopathies Prion protein Hereditary cerebral hemorrhage with amyloidosis Amyloid β-peptide or cystatin C Type II diabetes Amylin (Islet amyloid polypeptide) Medullary carcinoma of the thyroid Procalcitonin Atrial amyloidosis Atrial natriuretic factor

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

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