Perchè parlare di proteine? Funzione: - enzimatica - trasporto e deposito (emoglobina) - movimento (componenti muscolo) - difesa immunitaria (anticorpi)

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1 Perchè parlare di proteine? Funzione: - enzimatica - trasporto e deposito (emoglobina) - movimento (componenti muscolo) - difesa immunitaria (anticorpi) - risposta stimoli nervosi (mediata da ormoni) - ormoni (insulina) - controllo crescita e differenziamento (repressori/promotori traduzione)

2 Le proteine sono costituite da aminoacidi: questi hanno una struttura base comune (atomo di carbonio asimmetrico legato ad un gruppo amminico, un gruppo carbossilico, un idrogeno) e un gruppo R variabile che ne detemina le proprietà chimico-fisiche.

3 Amminoacido -amminoacido

4 Lisina

5 L -Alanina D -Alanina Carbonio alfa

6 L -Alanina D -Alanina Stereoisomeri dell’alanina

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12 Il gruppo aminico nell’asparagina ed il gruppo ossidrilico nella serina e nella treonina possono legare i carboidrati. Il gruppo ossidrilico della serina, treonina e tirosina, inoltre, può essere fosforilato. Tale fosforilazione gioca un ruolo fondamentale nel controllo del metabolismo cellulare. In un ambiente ossidante due molecole di cisteina possono essere ossidate a formare un legame disulfuro S-S. Legame degli amminoacidi ad altri componenti cellulari

13 Cisteina Cistina Cisteina ossidazioneriduzione Ossidazione della cisteina

14 Struttura primaria: il legame peptidico Il legame peptidico si forma fra il gruppo carbossilico di un aminoacido ed il gruppo amminico di altro aminoacido, con la perdita di una molecola d ’ acqua.

15 Una serie di aminoacidi uniti da legami peptidici formano una catena polipeptidica. Una catena polipeptidica ha una polarita ’ perche ’ le sue estremita ’ sono differenti: abbiamo infatti una estremita ’ N-terminale ed una estremita ’ C-terminale. L ’ estremita ’ N-terminale e ’ considerata come l ’ inizio della catena perche ’ i polipeptidi vengono sintetizzati nei ribosomi a partire da questa estremita ’.

16 N- terminale C- terminale Le proteine hanno sequenze aminoacidiche uniche che sono specificate da geni La sequenza di una proteina viene chiamata anche struttura primaria

17 La catena principale o scheletro di una proteina e ’ la successione degli atomi che fanno parte dei legami peptidici della catena senza tener conto delle catene laterali.

18 La struttura secondaria e ’ la disposizione spaziale degli atomi dello scheletro polipeptidico, senza considerare la disposizione delle catene laterali. Alcuni elementi di struttura secondaria sono energeticamente favoriti e si ritrovano nella maggior parte delle proteine: -elica: e ’ una avvolgimento elicoidale destrorso. Un giro dell ’ elica comprende 3.6 residui. Il passo dell ’ elica, cioe ’ la distanza che intercorre tra un giro ed il successivo e ’ pari a 5.4 Å. Questa disposizione e ’ tale che il gruppo carbonilico C=O di un residuo risulta in diretta corrispondenza con il gruppo N-H del quarto residuo a.acidico successivo. L ’ atomo di ossigeno e quello di idrogeno vengono a trovarsi a 2.8 Å di distanza e formano un legame idrogeno particolarmente stabile

19 La catena peptidica puo ’ anche assumere una conformazione quasi completamente estesa chiamata filamento .Diversi filamenti  possono poi affiancarsi per formare legami idrogeno interfilamento che stabilizzano la struttura complessiva. Il risultato prende il nome di foglietto . foglietto  antiparallelo foglietto parallelo

20 Diversi filamenti , tipicamente 4 o 5 ma in certi casi anche 10 o piu ’, interagiscono per formare foglietti . Questi possono essere interamente paralleli, antiparalleli o misti.

21 Struttura terziaria delle proteine: e ’ la struttura tridimensionale di un ’ intera catena polipeptidica.

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23 Cisteina Cistina Cisteina ossidazioneriduzione Ossidazione della cisteina

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25 Struttura quaternaria: la distribuzione spaziale relative delle diverse subunita ’ in proteine constituite da piu ’ di una catena polipeptidica. Le diverse catene polipeptidiche sono normalmente legate fra loro da interazioni non covalenti. Nella maggior parte delle proteine oligomeriche le varie subunita ’ sono disposte in modo simmetrico

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27 L ’ emoglobina ed il trasporto dell ’ ossigeno I vertebrati hanno selezionato due meccanismi principali per rifornire di ossigeno le cellule di un organismo 1)Sistema circolatorio 2) Molecole in grado di trasportare l ’ ossigeno, superando cosi ’ la limitazione costituita dalla bassa solubilita ’ dell ’ ossigeno in acqua Emoglobina: contenuta nei globuli rossi trasporta non solo ossigeno ma anche ioni idrogeno ed anidride carbonica Mioglobina: espressa nel tessuto muscolare funge da riserva di ossigeno e ne facilita il movimento

28 L ’ ossigeno si lega al gruppo prostetico eme L ’ eme e ’ costituito da una parte organica, chiamata protoporfirina (IX) e da un atomo di ferro

29 La mioglobina presenta una forma compatta Sono presenti otto segmenti -elicoidali maggiori (A-H). Il gruppo eme e ’ inserito in una fessura fra le eliche E ed F Tutti i residui interni alla struttura sono idrofobici con due eccezioni: l ’ istidina F8 (prossimale) e l ’ istidina E7 (distale)

30 Il gruppo eme e ’ in grado di legare reversibilmente l ’ ossigeno in soluzione. A che cosa serve allora l ’ impalcatura proteica? L ’ ossigeno legato all ’ eme isolato ossida rapidamente il ferro (II) a ferro (III) che non e ’, a sua volta, piu ’ in grado di legare ossigeno. Questa reazione avviene tramite la formazione di un intermedio eme-ossigeno-eme. Tale intermedio non si puo ’ formare nella mioglobina e nell ’ emoglobina a causa dell ’ ingombro sterico causato dalla catena polipeptidica

31 La mioglobina e ’ costituita da una sola catena polipeptidica. Al contrario l ’ emoglobina dell ’ adulto (emoglobina A) e ’ un tetramero costituito da due catene  e due catene  Durante lo sviluppo del feto diversi tipi di emoglobina si succedono: La prima emoglobina sintetizzata dall ’ embrione possiede due catene zeta () simili alle catene  e due catene epsilon () simili alle . Nel corso dello sviluppo la catena e ’ sostituita dalla  e la catena dalla catena e successivamente dalla catena . La emoglobina piu ’ presente negli ultimi due trimestri di vita fetale ha una composizione  2  2

32 La struttura tridimensionale delle subunita ’ dell ’ emoglobina e ’ molto simile alla struttura della mioglobina. Questo risultato fu del tutto inaspettato perche ’ pochi residui aminoacidici sono identici nelle tre catene polipeptidiche allineate. Questo fu il primo esempio di un principio biologico alla base dell ’ evoluzione: la struttura delle proteine e ’ sempre piu ’ conservata della loro sequenza Mioglobina Subunita ’  dell ’ emoglobina

33 Nonostante le strutture tridimensionali della mioglobina e delle catene  e  isolate dell ’ emoglobina siano molto simili, le proprieta ’ di legame nei confronti dell ’ ossigeno sono diverse.

34 L ’ emoglobina e ’ una molecola molto piu ’ sensibile della mioglobina ed e ’ in grado di modulare la sua affinita ’ verso l ’ ossigeno in risposta a diversi stimoli ambientali. Questa capacita ’ puo ’ essere riassunta in tre proprieta ’ diverse: Cooperativita ’ : il legame di O 2 favorisce il legame di altro O 2 alla stessa molecola di emoglobina. Effetti allosterici: l ’ affinita ’ dell ’ emoglobina per l ’ ossigeno varia in funzione del pH e della concentrazione di CO 2. Questi effettori legano la molecola in siti diversi dall ’ O 2. Cofattori: l ’ affinita ’ dell ’ emoglobina per l ’ ossigeno e ’ anche regolata dal legame di composti organici contenenti gruppi fosforici come il 2,3-bisfoglicerato.

35 Effetto Bohr: H + e CO 2 stimolano il rilascio di O 2 Un abbassamento del pH sposta la curva di dissociazione dell ’ ossigeno verso destra, riducendo di fatto l ’ affinita ’ dell ’ emoglobina per l ’ ossigeno. Lo stesso effetto si ottiene aumentando la [CO 2 ] a pH costante. In tessuti metabolicamente attivi, come il muscolo, vengono prodotte grandi quantita ’ di H + e CO 2 che stimolano il rilascio di O 2. L ’ effetto opposto si ottiene negli alveoli polmonari dove l ’ elevata [O 2 ] induce il distacco di H + e CO 2 dall ’ emoglobina. Y

36 HbO 2 HHb H+H+ O2O2 H+H+ HCO 3 - Sangue venoso HCO 3 - Plasma HbO 2 Sangue arterioso Tessuti O2O2 Polmoni Atmosfera CO 2 +H 2 O H 2 O+ CO 2 Metabolismo CO 2 diminuisce l’affinità Hb-O 2 CO 2 diminuisce l’affinità Hb-O 2 Tessuti: CO 2 alta, affinità Hb-O 2 bassa = rilascio di O 2 Tessuti: CO 2 alta, affinità Hb-O 2 bassa = rilascio di O 2 Polmoni: CO 2 bassa, affinità Hb-O 2 alta = assunzione di O 2 Polmoni: CO 2 bassa, affinità Hb-O 2 alta = assunzione di O 2

37 HbO 2 HHb H+H+ O2O2 H+H+ HCO 3 - Sangue venoso HCO 3 - Plasma HbO 2 Sangue arterioso Tessuti O2O2 Polmoni Atmosfera CO 2 +H 2 O H 2 O+ CO 2 Metabolismo CO 2 diminuisce l’affinità Hb-O 2 CO 2 diminuisce l’affinità Hb-O 2 Tessuti: CO 2 alta, affinità Hb-O 2 bassa = rilascio di O 2 Tessuti: CO 2 alta, affinità Hb-O 2 bassa = rilascio di O 2 Polmoni: CO 2 bassa, affinità Hb-O 2 alta = assunzione di O 2 Polmoni: CO 2 bassa, affinità Hb-O 2 alta = assunzione di O 2

38 Il termine dominio viene usato per descrivere un’area di una proteina che è funzionalmente o fisicamente distinta da altre aree. Un esempio sono le proteine che passano attraverso le membrane biologiche: queste hanno un dominio citosolico, un dominio transmembrana e un dominio extracellulare. Domini. In figura si riporta una proteina (src) coinvolta nel controllo della divisione cellulare. L’attività catalitica risiede nei domini giallo e arancione, l’attività regolatoria in quello verde e in quello blu. Le regioni di collegamento sono colorate in verde scuro.

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40 Funzione delle proteine Le proteine svolgono molteplici ruoli: 1)Catalisi enzimatica: gli enzimi sono molecole capaci di aumentare la velocità delle reazioni. Quasi tutti gli enzimi sono proteine. 2) Trasporto e deposito: molte molecole vengono trasportate da proteine (es. Emoglobina trasporta l’ossigeno,…) 3) Protezione immunitaria: gli anticorpi sono proteine altamente specifiche che riconoscono e attaccano sostanze estranee. 4) Produzione e trasmissione di impulsi nervosi: la risposta delle cellule nervose a stimoli specifici è mediata da proteine con funzione recettoriale. 5) Controllo della crescita e differenziamento: I fattori di trascrizione regolano l’attività dei promotori genici. 6) Movimento coordinato: le proteine sono la componente principale del muscolo, che si contrae in seguito a movimenti di scivolamento di due specie di filamenti proteici. 7) Sostegno meccanico: la resistenza alla trazione della pelle e delle ossa è dovuta alla presenza di una proteina, il collagene.

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42 Gli enzimi sono i catalizzatori dei sistemi biologici e come tali mediano tutte le trasformazioni chimiche cellulari Gli enzimi sono, nella stragrande maggioranza dei casi, proteine ma esistono anche enzimi costituiti da RNA Le caratteristiche piu ’ importanti degli enzimi sono il POTERE CATALITICO e la SPECIFICITA ’

43 Reazione di idratazione dell ’ anidride carbonica Anche una reazione semplice come questa viene catalizzata da un ’ enzima specifico: l ’ anidrasi carbonica In assenza di questo enzima il trasferimento di CO 2 dai tessuti al sangue non sarebbe efficiente Una molecola di enzima catalizza 100000 reazioni di idratazione al secondo. La reazione catalizzata e ’ 10 milioni di volte piu ’ veloce della reazione non catalizzata

44 La formazione di un complesso enzima-substrato e ’ la prima tappa nella catalisi enzimatica I substrati si legano ad una specifica regione dell ’ enzima che si chiama sito attivo Gli enzimi sono molto selettivi nel legame: la specificita ’ di catalisi dipende dalla specificita ’ di legame

45 Caratteristiche comuni dei siti attivi: 1)Occupano una parte relativamente piccola del volume della molecola enzimatica 2) Sono generalmente cavita ’ o fenditure sulla superficie dell ’ enzima 3) La specificita ’ del legame dipende dagli aminoacidi che si affacciano nel sito attivo

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50 Gli enzimi possono essere inibiti da molecole specifiche Si tratta di un meccanismo di controllo dell ’ attivita ’ enzimatica fondamentale. Inoltre la maggior parte dei farmaci e degli agenti tossici sono inibitori di enzimi Inibitori irreversibili: una volta legatisi all ’ enzima si dissociano molto lentamente o non si dissociano affatto. I legami sono di norma covalenti Inibitori reversibili: si associano e si dissociano dall ’ enzima rapidamente. L ’ inibizione reversibile puo ’ essere distinta in inibizione competitiva e non-competitiva

51 Un inibitore competivivo diminuisce la velocita ’ di catalisi riducendo il numero di molecole enzimatiche disponibili per il substrato

52 Un inibitore non competitivo si puo ’ legare all ’ enzima simultaneamente al substrato, quindi il loro sito di legame non coincide. L ’ inibitore non competitivo agisce diminuendo il numero di turnover cioe ’ il numero di reazioni che l ’ enzima e ’ in grado di catalizzare nell ’ unita ’ di tempo

53 Enzimi Allosterici In ogni via metabolica la maggior parte degli enzimi segue il modello cinetico che abbiamo descritto. Gli enzimi allosterici sono normalmente enzimi composti da piu ’ subunita ’ e legano, oltre ai substrati, altri composti detti modulatori che sono in grado di modificarne l ’ efficienza catalitica. I modulatori possono avere sia un effetto stimolatorio che inibitorio.

54 In molte vie metaboliche l ’ enzima che controlla la velocita ’ complessiva della via viene inibito dal prodotto finale: inibizione retroattiva (a feedback)

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56 Introduzione al metabolismo Il Metabolismo altro non e ’ che una rete integrata di reazioni chimiche che permette ad una cellula: 1)Estrarre energia e potere riducente dall ’ ambiente che le circonda 2)Sintetizzare i precursori le molecole e macromolecole necessarie al funzionamento della cellula Il numero complessivo di reazioni che compongono il metabolismo e ’ molto grande (piu ’ di mille) ma il tipo di reazioni e ’ invece relativamente piccolo

57 Come si lega tutto ciò ai composti tossici? Il legame di xenobiotici o loro metaboliti ad una proteina può portare a: 1)Perdita della funzione della proteina. 2)Creare un falso segnale nel sistema di regolazione della cellula. Ciò è critico soprattutto per proteine coinvolte nel controllo della crescita cellulare. 3)Interferire nell’organizzazione della cellula. 4)Interferire nello scambio di informazioni tra le cellule nell’organismo. Gli organismi si sono evoluti per superare tali alterazioni perciò, in molti casi, basse dosi di xenobiotici vengono controllate dai sistemi di difesa dell’organismo.

58 L ’ ATP e ’ il trasportatore universale di energia libera nei sistemi biologici Gli esseri viventi richiedono un apporto continuo di energia libera; 1)Produzione di lavoro meccanico nella contrazione muscolare ed in altri movimenti cellulari 2)Trasporto attivo di molecole e ioni 3)Sintesi di molecole da precursori semplici Questa energia e ’ ottenuta tramite l ’ ossidazione di sostanze nutrienti (chemotrofi) od intrappolando l ’ energia solare (fototrofi) In entrambi casi l ’ energia deve essere poi immagazzinata sotto forma di energia chimica facilmente accessibile

59 L ’ ATP (adenosina trifosfato) e ’ un nucleotide costituito da una molecola di adenina legata ad ribosio a sua volta legato ad una unita ’ trifosfato

60 L ’ idrolisi di un legame anidridico porta alla formazione di ADP L ’ ADP puo ’ essere poi ulteriormente idrolizzato a AMP

61 Nei sistemi biologici l ’ ATP ha la funzione di donatore immediato di energia e non quella di conservare energia per lunghi periodi In condizioni normali una molecola di ATP viene consumata circa un minuto dopo la sua sintesi. Un uomo a riposo consuma circa 24 kg di ATP in 24 ore

62 Il NADH ed il FADH 2 sono i principali trasportatori di elettroni nelle ossidazioni delle sostanze nutrienti I chemotrofi ottengono l ’ energia necessaria alla loro vita dall ’ ossidazione di sostanze nutrienti come gli zuccheri e i grassi. Negli organismi aerobi l ’ accettore finale degli elettroni e ’ l ’ ossigeno. Gli elettroni non vengono pero ’ trasferiti direttamente dalle sostanze nutrienti all ’ ossigeno: intervengono dei transportatori intermedi che prendono il nome di: Nicotinamide adenin dinucleotide (NAD + ) Flavin adenin dinucleotide (FAD) Queste sostanze, una volta ridotte, trasferiscono gli elettroni all ’ ossigeno con concomitante sintesi di ATP. Questo processo prende il nome di fosforilazione ossidativa

63 NAD + : Nicotinamide adenin dinucleotide nella forma ossidata

64 FAD: flavin adenin dinucleotide nella forma ossidata

65 Esempi di reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono il NAD + ed il FAD

66 Il coenzima A e ’ un trasportatore universale di gruppi acile I gruppi acile si legano al CoA con un legame tioestere con il gruppo sulfidrilico terminale del CoA. Il gruppo acile e ’ poi facilmente trasferibile dall ’ Acil-CoA.

67 Struttura del Coenzima A (CoA)

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