Le proteine.

Presentazione sul tema: "Le proteine."— Transcript della presentazione:

1 Le proteine

2 A cosa servono le proteine?
Le proteine sono biomolecole con funzioni molto diverse fra di loro, anche se la descrizione della struttura delle proteine segue uno schema piuttosto omogeneo. Questa volta, prima di studiare la struttura chimica, proviamo a farci un’idea del ruolo funzionale di queste molecole all’interno della logica cellulare. A questo scopo faremo una “lista” di categorie funzionali.

3 Proteine strutturali Molte proteine servono a costruire strutture cellulari o extracellulari. Vediamo due esempi: - la cheratina conferisce resistenza all’epidermide e a tutti i suoi derivati (capelli, unghie, squame, corna, penne, ecc). - la fibroina forma strutture molto resistenti, come la seta, la tela dei ragni. - il collagene si trova nella pelle come la cheratina, ma è un costituente importante anche dell’apparato di sostegno, essendo il principale componente della cartilagine.

4 Proteine di difesa Gli anticorpi (immunoglobuline) presenti nel sangue per combattere le infezioni sono proteine, così come molte sostanze tossiche prodotte da piante ed animali per evitare o esercitare la predazione, come i veleni o le tossine batteriche. Nel sangue si trovano anche le proteine della coagulazione (fibrinogeno, trombina).

5 Proteine di nutrimento e di riserva
Nell’albume dell’uovo si trova l’albumina, che serve allo sviluppo dell’embrione. Il latte contiene la caseina. La ferritina è presente nel sangue e serve ad immagazzinare il ferro, un elemento necessario a sua volta per formare la prossima proteina…

6 Proteine di trasporto L’emoglobina è presente in grande quantità nel sangue, all’interno dei globuli rossi. Serve per trasportare l’ossigeno (ma non solo). Le lipo-proteine sono necessarie al sangue per trasportare i lipidi (insolubili!). Molte proteine di membrana servono per consentire il passaggio di sostanze specifiche verso l’interno o verso l’esterno delle cellule.

7 Proteine di regolazione
Molti ormoni sono di natura proteica, come ad esempio l’insulina, o l’ormone della crescita (GH). Impareremo a conoscere un tipo diverso di regolatori proteici, i quali hanno la funzione di regolare proprio la formazione stessa delle proteine: sono gli attivatori e gli inibitori della sintesi proteica.

8 Gli enzimi Le proteine sulle quali dobbiamo discutere più a fondo sono gli enzimi. Suddivideremo gli enzimi in due categorie: gli enzimi digestivi e gli enzimi metabolici. Prima di descrivere le caratteristiche specifiche di queste due categorie di proteine, vediamo quali sono le loro caratteristiche comuni.

9 Gli enzimi sono catalizzatori
Un catalizzatore è una specie chimica che partecipa ad una reazione chimica modificandone la velocità. Studiando la chimica si impara che ogni reazione chimica avviene con una velocità diversa, e che alcuni fattori, come ad esempio la temperatura, o appunto la presenza di un catalizzatore, possono modificare questa velocità. Un dato molto importante è il seguente: una reazione che avviene in presenza di un catalizzatore può sempre avvenire anche in sua assenza. In altre parole un catalizzatore non modifica l’andamento di una reazione, ma solo la sua velocità.

10 Basta una piccola quantità
Un catalizzatore interviene in una reazione chimica, ma le trasformazioni che eventualmente subisce sono reversibili: alla fine della reazione esso riprende la stessa struttura che aveva all’inizio. Questo fatto ha una conseguenza importante: una singola unità di catalizzatore può catalizzare un numero indefinito di cicli di reazione. In altre parole, anche una piccola quantità di enzima può consentire l’ottenimento di grandi quantità di prodotto.

11 I catalizzatori industriali
Per comprendere bene il significato degli enzimi, iniziamo descrivendo il ruolo dei catalizzatori nell’industria chimica. L’impiego dei catalizzatori, ove possibile, fa aumentare la produzione accelerandone i tempi, rendendo il processo produttivo più efficiente, più economico, quindi più competitivo. Da questo si comprende che l’impiego dei catalizzatori industriali diventa indispensabile per la sostenibilità economica dell’impresa.

12 I catalizzatori biologici
Gli enzimi sono i catalizzatori che gli organismi viventi producono e utilizzano per accelerare la velocità delle reazioni biochimiche. Ora dobbiamo comprendere il significato strategico molto profondo di queste proteine.

13 Gli enzimi digestivi Gli enzimi digestivi catalizzano l’idrolisi delle molecole alimentari nell’apparato digerente. Gli enzimi digestivi sono relativamente specifici, ad esempio: - le lipasi idrolizzano i lipidi - le amilasi idrolizzano l’amido - le proteasi idrolizzano le proteine - le nucleasi idrolizzano gli acidi nucleici Gli enzimi digestivi agiscono soprattutto all’esterno delle cellule, nel lume dell’apparato digerente.

14 Perché gli enzimi nella digestione?
Come abbiamo già detto, una reazione catalizzata potrebbe avvenire anche in assenza di enzima. Quale sarebbe la differenza nel caso della digestione? La velocità dell’idrolisi spontanea delle biomolecole è molto più lenta di quelle che sono le necessità metaboliche dell’organismo, pertanto in assenza di catalisi, di fatto la digestione non avrebbe significato dal punto di vista delle necessità alimentari e quindi della sopravvivenza dell’organismo. Al contrario l’apparato digerente è organizzato in modo da rendere disponibili i nutrienti necessari in un tempo adatto. Ad esempio l’introduzione del cibo scatena la secrezione degli ormoni necessari ad attivare la produzione degli enzimi digestivi da parte delle ghiandole dell’apparato digerente.

15 Gli enzimi metabolici Abbiamo lasciato alla fine questa categoria di proteine perché la comprensione della loro funzione rappresenta un passaggio critico nello studio della biologia. Tre caratteristiche ci fanno capire subito la differenza con gli enzimi digestivi. Gli enzimi metabolici agiscono all’interno delle cellule. Si tratta di proteine assolutamente specifiche: ogni enzima metabolico riconosce i reagenti di una sola reazione, e li trasforma sempre allo stesso modo. L’insieme degli enzimi metabolici di ogni cellula è in grado di catalizzare tutte le reazioni biochimiche proprie di quella cellula (non solo le reazioni di idrolisi come nella digestione).

16 Il metabolismo Il metabolismo è l’insieme di tutte le reazioni chimiche di un organismo vivente. Il metabolismo si può suddividere in due fasi principali: anabolismo e catabolismo.

17 L’anabolismo È la fase di costruzione delle biomolecole.
Lo scopo dell’anabolismo è quello di ottenere le biomolecole che sono necessarie ad una determinata cellula in una determinata situazione. È una fase endoergonica: una reazione anabolica richiede energia.

18 Il catabolismo È la fase di scomposizione delle biomolecole.
Il catabolismo possiede due significati: - degradazione di molecole presenti in eccesso o dannose - degradazione di molecole al fine di ottenere energia (la respirazione cellulare è un esempio di catabolismo). Il catabolismo rappresenta la fase esoergonica (libera energia), visto che l’anabolismo è quella endoergonica.

19 Cos’è una via metabolica?
Ogni processo biochimico non avviene mediante un passaggio unico, ma implica un certo numero di reazioni che trasformano progressivamente i reagenti (R) fino ad ottenere il prodotto finale (P), passando attraverso un certo numero di intermedi (I). R→I1→I2→I3→I4→I5→….→P

20 Gli enzimi metabolici sono specifici
Questo è un passaggio fondamentale. Sappiamo che un enzima è un catalizzatore, ossia una sostanza che accelera una reazione chimica. L’enzima metabolico è completamente specifico: ogni enzima metabolico catalizza esclusivamente un singolo passaggio di una via metabolica.

21 Una via metabolica è una serie di enzimi metabolici
Per realizzare una via metabolica la cellula deve possedere tutti gli enzimi specifici per ogni singolo passaggio. E E E E E E En R→I1→I2→I3→I4→I5→….→P

22 Affermare che una cellula è in grado di realizzare una data via metabolica equivale a dire che essa contiene tutti gli enzimi adatti a catalizzare tutti i passaggi di questo processo.

23 Perché gli enzimi metabolici sono necessari?
Non solo gli enzimi metabolici sono necessari, ma possiamo considerarli i veri protagonisti dell’attività cellulare. Per rispondere alla domanda dobbiamo porcene un’altra: quale sarebbe la differenza se gli enzimi metabolici non fossero assolutamente specifici? Si tratta ovviamente di una domanda retorica, che però ci aiuta a ragionare. Se un determinato enzima fosse in grado di svolgere più funzioni questo sarebbe sicuramente un grande vantaggio: le proteine sono strutture molto costose dal punto di vista dell’economia cellulare, e doverne costruire tante diverse fra loro rappresenta un costo. Evidentemente la ragione per la quale ogni cellula deve produrre molti enzimi diversi è ancora più importante.

24 Gli enzimi controllano l’attività cellulare.
Una reazione biochimica non catalizzata avviene ad una velocità non significativa per l’attività cellulare: senza l’enzima la reazione si può considerare a tutti gli effetti bloccata. L’attivazione di un enzima da parte della cellula corrisponde all’attivazione di una determinata reazione biochimica. Se un enzima fosse in grado di catalizzare anche solo due reazioni diverse fra loro, attivarne una comporterebbe necessariamente attivare anche l’altra: la cellula non avrebbe alcuna possibilità di discriminare queste due attività.

25 Le attività cellulari sono diverse
Le cellule in questo modo hanno la possibilità di controllare le proprie attività. Ogni cellula forma solo gli enzimi adatti alle sue specifiche attività: cellule diverse producono enzimi diversi per svolgere attività diverse. Non solo, ma ogni cellula produce in momenti diversi enzimi diversi: le necessità di ogni cellula variano nelle diverse fasi della sua esistenza.

26 In conclusione.. Noi già sappiamo che i caratteri mendeliani sono rappresentati da singole proteine: ora il significato di questa affermazione forse è un po’ più chiaro. Ad esempio una malattia metabolica spesso rappresenta un carattere mendeliano: l’organismo non ha la capacità di produrre un determinato enzima di una determinata via metabolica, la quale risulta pertanto completamente bloccata.

27 Ora ci occuperemo della struttura delle proteine
La lista di funzioni proposta è uno schema indicativo ed incompleto, che ci aiuta a comprendere un fatto molto generale: Le proteine sono gli strumenti che tutte le cellule hanno a disposizione per svolgere le loro attività. Le cellule sono diverse una dall’altra perché contengono proteine diverse.

28 Le proteine sono polimeri
Una proteina è formata dai seguenti componenti: - una o più catene polipeptidiche (catene lineari formate da amminoacidi legati con legami peptidici) - alcune proteine contengono uno o più cofattori. Un cofattore può essere un semplice atomo metallico (ad esempio il ferro nell’emoglobina), oppure un complesso gruppo organico, che in tal caso prende il nome di gruppo prostetico.

29 Struttura generale di un amminoacido
Un amminoacido è formato da: 1) un atomo di carbonio centrale (carbonio α) al quale si legano i quattro seguenti gruppi 2) un gruppo carbossilico 3) un gruppo amminico 4) un atomo di idrogeno 5) un gruppo “R” specifico

30 Gli amminoacidi sono i monomeri delle proteine
Gli amminoacidi sono molecole adatte a formare lunghe catene. Il gruppo amminico di un amminoacido si lega con il gruppo carbossilico di un altro amminoacido, il quale a sua volta si può legare ad un terzo amminoacido mediante il proprio gruppo amminico, e così via. Questo legame fra amminoacidi si chiama legame peptidico (esso rappresenta un caso particolare di legame ammidico).

31 Il legame peptidico è una condensazione
(il carbonio in colore è il carbonio α) Abbiamo ottenuto un dipeptide. + + H20

32 dipeptide + amminoacido = tripeptide
+ H20

33 Power Point ci consente anche di giocare un po’

34 Il polimero si chiama polipeptide
Aggiungendo altri amminoacidi uno alla volta otteniamo un polipeptide della dimensione voluta. I polipeptidi delle proteine sono formati da decine o anche centinaia di amminoacidi. Come vedremo ogni proteina è formata da un preciso numero di amminoacidi (nei polisaccaridi invece il numero dei monomeri è variabile).

35 Il polipeptide ha due estremità diverse
Come si vede uno dei due amminoacidi terminali possiede un gruppo amminico libero, l’altro possiede un gruppo carbossilico libero. Il primo rappresenta l’estremità ammino-terminale (N-terminale) del polipeptide. Il secondo è l’estremità carbossi-terminale del polipeptide (C-terminale). I polipeptidi si formano in direzione (N-terminale → C-terminale).

36 I gruppi R Gli amminoacidi possono essere diversi fra loro a seconda della struttura chimica del residuo R. Per formare le proteine le cellule utilizzano 20 amminoacidi diversi. I gruppi R pertanto sono di 20 specie. Questi venti amminoacidi sono gli stessi per tutte le specie di organismi.

37 Quante proteine diverse si possono formare?
Se leghiamo due amminoacidi possiamo avere 20 x 20 = 400 specie di dipeptidi diversi. Se leghiamo tre amminoacidi possiamo avere 20 x 20 x 20 = 8000 specie di tripeptidi diversi. Provate a calcolare il numero di peptidi diversi formati da 10 amminoacidi.

38 La variabilità delle proteine determina la varietà biologica
Quante proteine diverse si possono ottenere legando centinaia di amminoacidi per formare dei polipeptidi? Il numero è praticamente infinito, e da questa varietà di strutture deriva una varietà di funzioni. Questo rende possibile l’esistenza di un grande numero di forme di vita, molte delle quali formate da tipi diversi di cellule, e nelle quali ciascuna cellula svolge diverse attività a seconda del momento.

39 Studiare la biologia significa soprattutto studiare il funzionamento delle proteine
Ogni altro tipo di biomolecola si ottiene mediante l’azione di determinate proteine, interagisce con delle proteine, e le stesse proteine interagiscono con altre proteine. Oggi si parla molto del DNA, che è una molecola importante per comprendere il funzionamento di un organismo: come vedremo il DNA non ha una propria funzione operativa, ma serve in definitiva per formare determinate proteine, in determinate cellule, in una determinata fase della vita cellulare.

40 Un esempio di proteina Val His Leu Thr Pro Glu Glu Lys Ser Ala Val Thr Ala Leu Trp Gly Lys Val Asn Val Asp Glu Val Gly Gly Glu Ala Leu Gly Arg Leu Leu Val Val Tyr Pro Trp Thr Gln Arg Phe Phe Glu Ser Phe Gly Asp Leu Ser Thr Pro Asp Ala Val Met Gly Asn Pro Lys Val Lys Ala His Gly Lys Lys Val Leu Gly Ala Phe Ser Asp Gly Leu Ala His Leu Asp Asn Leu Lys Gly Thr Phe Ala Thr Leu Ser Glu Leu His Cys Asp Lys Leu His Val Asp Pro Glu Asn Phe Arg Leu Leu Gly Asn Val Leu Val Cys Val Leu Ala His His Phe Gly Lys Glu Phe Thr Pro Pro Val Gln Ala Ala Tyr Gln Lys Val Val Ala Gly Val Ala Asn Ala Leu Ala His Lys Tyr His

41 Questa è la catena β dell’emoglobina umana
La serie di simboli che abbiamo appena visto è la sequenza di amminoacidi che formano una delle quattro catene (polipeptidi) dell’emoglobina umana. Ogni amminoacido è rappresentato da una sigla a tre lettere. Ad esempio il primo amminoacido è la valina (Val), il secondo si chiama istidina (His), e così via.

42 La sequenza di amminoacidi
La sequenza di amminoacidi descrive completamente un polipeptide: essa ne rappresenta la formula chimica. È necessario indicare il numero totale di amminoacidi e la specie di amminoacido in ciascuna posizione della catena. La sequenza determina tutte le caratteristiche di un polipeptide, strutturali e funzionali.

43 La sequenza è la struttura primaria.
In base a tutto ciò che abbiamo affermato sulle proteine, è chiara l’importanza della sequenza di amminoacidi: essa determina le caratteristiche di ogni proteina e di conseguenza le caratteristiche della cellula. La sequenza di amminoacidi si chiama struttura primaria.

44 oppure.. V H L T P E E K S A V T A L W G K V N V D E V G G E A L G R L L V V Y P W T Q R F F E S F G D L S T P D A V M G N P K V K A H G K K V L G A F S D G L A H L D N L K G T F A T L S E L H C D K L H V D P E N F R L L G N V L V C V L A H H F G K E F T P P V Q A A Y Q K V V A G V A N A L A H K Y H Questa scrittura corrisponde alla sequenza precedente, con I simboli formati da una lettera sola (ciò è reso possibile dal fatto che il numero di amminoacidi diversi è minore del numero delle lettere dell’alfabeto)

45 Ogni lettera è un amminoacido, del quale conosciamo la struttura.
Tutti gli amminoacidi sono legati fra loro con legami peptidici. Questo è sufficiente per conoscere la struttura analitica, atomo per atomo, del polipeptide. Quindi la sequenza di lettere che abbiamo appena visto rappresenta la formula chimica del polipeptide.

46 La sostituzione, l’eliminazione, l’aggiunta di un solo amminoacido, possono determinare una funzione diversa o una disfunzione del polipeptide: Questo significa che la sequenza polipeptidica contiene informazione: le proteine sono molecole ad alto contenuto di informazione biologica.

47 Proviamo a modificare una lettera nella seguente frase:

48 Il risultato cambia molto a seconda della posizione e della lettera.
Lo stesso si verifica con le proteine: sostituire un amminoacido con uno simile può modificare poco la funzione della proteina. In altri casi la sostituzione può rendere la proteina del tutto inutile.

49 L’anemia falciforme La sostituzione del 6° aminoacido del polipeptide β dell’emoglobina umana determina una malattia molto grave: l’anemia falciforme. L’anemia falciforme è solo un esempio: il principio vale nello stesso modo per qualunque aminoacido di qualunque proteina!

50 Quattro livelli di struttura
La funzione della proteina dipende dalla sua conformazione (struttura) complessiva, ossia dal modo in cui la catena si dispone nello spazio. La catena è flessibile e forma delle “pieghe” stabili e non casuali. Tutto questo si descrive mediante altri tre livelli di struttura, i quali tuttavia sono completamente determinati dalla struttura primaria.

51 La struttura secondaria
La catena forma in alcuni tratti dei “domini” ripiegati secondo due modelli fissi (v. figure sul libro). - α elica: la catena si avvolge come una scala a chiocciola. - β foglietto: tratti di catena si dispongono paralleli e si piegano a “zig-zag”. Questi modelli “standard” sono stabilizzati da legami idrogeno fra i gruppi alfa (i gruppi amminici e carbossilici presenti sul carbonio alfa).

52 La struttura terziaria
Essa rappresenta la descrizione completa della conformazione del polipeptide nello spazio. Si possono riconoscere due categorie principali. - Proteine globulari, generalmente solubili. - Proteine fibrose.

53 I legami interni della proteina
Mentre la struttura primaria descrive i legami covalenti fra gli amminoacidi (legami peptidici), le strutture superiori sono stabilizzate da interazioni più deboli (soprattutto legami idrogeno, interazioni idrofobiche). Esistono delle eccezioni: due amminoacidi cisteina non consecutivi possono formare un legame covalente, dando luogo ad una nuova molecola (cistina, v. pag. 556 di chimica); amminoacidi con carica elettrica opposta possono formare dei veri e propri legami ionici (ponti salini). Questi legami riguardano la struttura terziaria.

54 La struttura quaternaria
Alcune proteine sono formate da più polipeptidi, la descrizione dei legami fra di essi costituisce la struttura quaternaria. Si tratta dunque di una struttura “facoltativa”, tuttavia le proteine più interessanti sono quaternarie, il loro funzionamento dipende dal movimento reciproco dei polipeptidi di cui sono formate: queste si chiamano proteine allosteriche.

55 I venti amminoacidi Sul libro è possibile osservare i gruppi “R” che distinguono i venti amminoacidi. Ogni amminoacido nella proteina possiede una sua specificità ed un suo ruolo, in modo che la proteina nel suo insieme sia in grado di svolgere la sua funzione. Questo giustifica l’affermazione che abbiamo fatto in precedenza: sostituire anche un solo amminoacido con un altro determina un diverso funzionamento della proteina.

56 I gruppi “R” di tutti gli amminoacidi determinano la struttura generale.
Lo studio della struttura delle proteine è molto complesso, ma rappresenta una fase decisiva nella comprensione delle funzioni cellulari. Un esempio semplice e molto generale di rapporto causa-effetto è dato dalla differenza fra gruppi “R” idrofili e gruppi “R” idrofobici

57 Amminoacidi polari e non polari
Nelle proteine globulari la struttura è tale per cui gli amminoacidi con gruppi polari (idrofili) si dispongono “alla superficie” della proteina, a contatto con l’ambiente acquoso, mentre quelli non polari (idrofobici) all’interno della proteina. Con questo esempio concludiamo la descrizione della struttura delle proteine.

58 Le funzioni di una cellula dipendono dalle proteine che essa contiene.
In particolare sappiamo che ogni cellula controlla le proprie attività mediante l’attività degli enzimi metabolici.

59 ? cellule diverse nello stesso organismo
cellule diverse in organismi diversi fasi diverse nella stessa cellula funzioni delle proteine strutture secondaria, terziaria, quaternaria delle proteine struttura primaria delle proteine ?

60 Questo schema ci fa vedere che tutto ciò che avviene in una cellula vivente si riconduce alla struttura primaria (sequenza) delle sue proteine. A questo punto la domanda è: da cosa dipende la struttura primaria delle proteine presenti in una cellula? Questo è il prossimo argomento che dovremo affrontare.

61 Le proteine come alimenti
Noi sappiamo che nel nostro cibo deve essere presente una componente proteica. Nell’apparato digerente, le proteine alimentari vengono scomposte nei singoli amminoacidi i quali sono poi assorbiti ed utilizzati per costruire le proteine proprie, che sono diverse da quelle degli organismi che mangiamo.

62 Nove amminoacidi sono essenziali
… e molti amminoacidi dovranno essere ottenuti mediante sintesi: le nostre cellule possono attivare le vie metaboliche adatte ad ottenere una parte degli amminoacidi mancanti. Otto amminoacidi su venti non possono essere ottenuti dalle nostre cellule, devono necessariamente derivare dal cibo.

63 Ogni proteina ha una sua composizione in amminoacidi
Gli amminoacidi ottenuti con il cibo corrispondono solo in parte agli amminoacidi necessari per formare le nuove proteine. In particolare le proteine vegetali hanno una composizione in amminoacidi abbastanza diversa da quella delle proteine animali. Questo significa che molti amminoacidi dovranno essere eliminati: l’urea è un prodotto di scarto contenente l’azoto che deriva dal catabolismo degli amminoacidi in eccesso…

64 Le proteine come fonte di energia
Anche le proteine, come carboidrati e lipidi, possono essere ossidate per ricavare energia. Questa è una fonte secondaria di energia, utile soprattutto in situazioni di particolare necessità, ossia in mancanza di riserve energetiche (trigliceridi).