Le proteine: come sono fatte, come funzionano, e come si sono evolute

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1 Le proteine: come sono fatte, come funzionano, e come si sono evolute
Le proteine: come sono fatte, come funzionano, e come si sono evolute. Il vero dogma centrale della biologia: la sequenza determina la struttura, che determina la funzione Proteine parte 1b prof. S. Sorrentino

2 Struttura terziaria delle proteine
I ripiegamenti della catena fanno sì che le catene laterali R dei residui amminoacidici possano interagire fra loro formando legami (deboli o forti) che contribuiscono a stabilizzare la conformazione 3D della proteina. ( )4 4 legami idrogeno legami ionici ponti disolfurici interazioni idrofobiche forze di Van der Waals La struttura terziaria dipende dalla struttura primaria.

3 PONTI DISOLFURICI Oltre al legame peptidico, un altro tipo di legame covalente fra gli amminoacidi presenti nei peptidi e nelle proteine è il legame disolfuro che collega due unità di cisteina. CISTEINA CISTINA [O] [Rid]

4 Comprendere il processo di FOLDING delle proteine, ovvero il meccanismo di ripiegamento grazie al quale queste molecole raggiungono la conformazione più stabile termodinamicamente e biologicamente attiva.

5 Il “folding” di una proteina è il risultato di grandi variazioni entalpiche ed entropiche
ΔG = ΔH - TΔS La struttura terziaria di una proteina rappresenta la struttura più stabile (a più bassa energia) per quella particolare sequenza primaria.

6 Denaturazione Se sottoponiamo una proteina a valori di pH o temperatura molto diversi da quelli normali, la proteina perde la conformazione nativa e perde la sua funzione. Così è stato dimostrato che una proteina possiede nella struttura primaria le istruzioni che deve seguire per ripiegarsi nella sua struttura tridimensionale finale.

7 la sequenza determina la struttura, che determina la funzione
Le Proteine “conoscono” il loro ruolo e “sanno” come organizzare la loro architettura molecolare. L’informazione è contenuta nella sequenza degli amminoacidi che è stabilita dal tratto di DNA (gene) il quale contiene il “progetto” di ogni specifica proteina.

8 Molte malattie sono dovute al difettoso ripiegamento (FOLDING) di una proteina
A. 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, encefalopatia spongiforme. B. In altri casi mutazioni del gene generano proteine incomplete che non sono più in grado di svolgere la loro funzione perché incapaci di legare i loro substrati: fibrosi cistica, distrofia muscolare

9 La mucca pazza L'encefalopatia spongiforme bovina (Bse) è una malattia neurologica degenerativa che colpisce i bovini E’ causata dall’alterazione di una proteina, il Prione. Pr = proteica ; i = infettiva ; one = particella

10 Il prione 1984 Stanley Prusiner
Per anni il prione è stato considerato erroneamente un virus Si trova in tutti gli organi, principalmente sulla membrana dei neuroni Il suo ruolo è quello di coadiuvare la trasmissione dei segnali tra le cellule nervose

11 La conversione da PrPc a PrPSc procede poi con una reazione a catena.
Quando viene raggiunta una concentrazione sufficiente di proteine PrPSc, queste si aggregano a formare un lungo filamento che gradualmente danneggia il tessuto neuronale.

12 Una volta mutata la proteina è infettiva: a contatto con la forma normale, la trasforma, rendendola patologica I prioni alterati sono molto resistenti: al calore ai disinfettanti alle proteasi

13 Il salto di specie NvCJ Bse Farine animali Scrapie
La Bse tra i bovini nasce, probabilmente, dall'uso di carcasse di animali infetti (pecore) per farne mangimi. Bse Farine animali Scrapie I prioni dei bovini sono in grado di infettare l’uomo Le pecore non sembrano trasmettere la malattia direttamente all’uomo

14 STRUTTURA QUATERNARIA
Le interazioni che si stabiliscono tra le subunità sono dello stesso tipo di quelle che stabilizzano le strutture terziarie: legami idrogeno, interazioni idrofobiche, ponti disolfurici tra i gruppi R dei residui amminoacidici. Trp-sintasi Collageno Emoglobina Actina-miosina

15 Struttura quaternaria (3D) dell’Emoglobina 50 x 55 x 65 Ǻ
Quattro subunità disposte ai vertici di un tetraedro 12 (o 21) e 11 (o 22) (interazioni idrofobiche, legami idrogeno, coppie ioniche); 11, 22 (interazioni polari).

16 LA DISTROFIA MUSCOLARE
La più diffusa è la malattia di Duchenne che si trasmette attraverso il cromosoma sessuale X, dalla madre ai figli maschi; le figlie femmine invece possono essere portatrici sane.

17 LA DISTROFIA MUSCOLARE
La distrofina, una proteina cruciale per la vita e la funzione dei muscoli La distrofina stabilizza la membrana della cellula muscolare durante i cicli di contrazione-rilassamento La malattia è dovuta alla mancanza della distrofina per un difetto del gene che codifica la proteina (anomalo codone di stop). Il difetto consiste nella presenza di un anomalo «codone di stop», il segnale che identifica la fine delle proteine, all’interno della sequenza del DNA che contiene l’informazione per la distrofina. La presenza di questo segnale determina l’interruzione prematura della sintesi proteica: il risultato è dunque la produzione di una proteina «tronca», cioè più corta del normale, e per questo priva della sua funzionalità. E’ una forma di distrofia muscolare trasmessa come carattere legato all’X che determina degenerazione progressiva delle fibre muscolari. La malattia è dovuta alla mancanza della distrofina. La carenza è dovuta a un difetto del gene che codifica la proteina. L’assenza di questa proteina determina una serie di eventi che portano a degenerazione del tessuto muscolare, che viene sostituito da tessuto fibroso e adiposo. La conseguenza clinica è una progressiva perdita di forza muscolare con conseguente progressiva perdita delle abilità motorie. Anche i soggetti con normale dotazione intellettiva possono avere lievi difficoltà legate all’apprendimento della letto-scrittura o comunque nella processazione verbale. La Distrofina è normalmente presente – e assente nei soggetti affetti da DMD -anche in alcune aree del Sistema Nervoso Centrale: questo è probabilmente alla base del possibile coinvolgimento cognitivo, ma molte cose non sono ancora chiare in quest’ambito. Mutazioni in geni che codificano componenti del complesso distrofina-glicoproteine -indebolimento del sarcolemma -rottura della membrana -morte della fibra muscolare

18 LA DISTROFIA MUSCOLARE
Degenerazione del tessuto muscolare sostituito da tessuto fibroso e adiposo. Progressiva perdita di forza muscolare con conseguente progressiva perdita delle abilità motorie. Insufficienza respiratoria e cardiaca La distrofina collega il citoscheletro alla matrice extracellulare stabilizzando la membrana della cellula muscolare durante i cicli di contrazione-rilassamento Il complesso della distrofina: Con una delle sue due estremità, quella amino-terminale, la distrofina interagisce con la β-actina all’interno della membrana della fibra muscolare. L’altra estremità, carbossi-terminale, è legata al α-destroglicano, che attraversa la membrana cellulare e si collega sul lato esterno con l’α-destroglicano, questo blocca l’apparato contrattile alla superficie extracellulare della membrana, più esattamente al sarcolemma. L’intero complesso proteico cui appartiene la Distrofina, consiste di più di due dozzine di diverse proteine come illustrato nella figura. Quando manca la Distrofina, come nel caso della distrofia di Duchenne, l’equilibrio tra le diverse parti del complesso viene compromesso. Specialmente i destroglicani, i sarcoglicani ed i sarcospan sono ridotti o scompaiono completamente, inoltre le proteine contrattili actina e miosina degenerano. Senza distrofina, la fibra muscolare degenera. Essa viene continuamente rigenerata ma il meccanismo di rigenerazione ad un certo punto comincia a rallentare. Le fibre muscolari distrutte vengono rimpiazzate da tessuto adiposo e connettivo, già all’età di due o tre anni sono visibili i primi segni della malattia. Nel punto in cui il nervo motore entra in contatto col muscolo, troviamo un’altra proteina simile alla distrofina, l’utrofina, anche questa contribuisce fino ad un certo punto alla stabilità della membrana (Davies, Oxford). Senza l’utrofina, la malattia progredirebbe in modo molto più veloce. Come abbiamo già detto, l’assenza della distrofina disturba il delicato equilibrio di un gran numero di altri componenti la cui natura e il cui ruolo nella complessa architettura della fibra muscolare non sono ancora noti.

19 Morbo di Alzheimer 1906 Alois Alzheimer descrisse per primo tale malattia definendola “un processo degenerativo che distrugge progressivamente le cellule cerebrali, rendendo a poco a poco l’individuo che ne è affetto incapace di una vita normale" MECCANISMO DEL PROCESSO DI DEGENERAZIONE I neuroni cominciano a produrre una proteina (β-amiloide), con formazione di placche (agglomerato di filamenti proteici). Iniziano così una serie di eventi programmati che portano alla morte del neurone (“Suicidio programmato”) L’App (precursore della proteina amiloide) normalmente serve per il normale funzionamento dei neuroni.

20 Fibrosi cistica Malattia autosomica recessiva grave più comune nella popolazione italiana malati 1/3000 portatori 1/28 Difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, 1480 amminoacidi). La mutazione più comune è la delezione di un amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si avvolge correttamente. Le manifestazioni cliniche della malattia sono caratterizzate dalla presenza di secrezioni esocrine mucose dense che portano a una malattia polmonare cronica ostruttiva con evoluzione verso l’insufficienza respiratoria

21 Esempi di proteine fibrose.
Funzioni e Meccanismi.

22 …LA CONTRAZIONE MUSCOLARE
Muscolo striato: la contrazione si basa sulla struttura del sarcomero, in cui i filamenti di actina e di miosina si intercalano e scivolano gli uni sugli altri. TEORIA DELLO SCORRIMENTO DEI FILAMENTI ACTINA MIOSINA SARCOMERO: unità funzionale del muscolo

23 ACTINA L’actina è presente in tutte le cellule eucariotiche, dove rappresenta il 5% delle proteine cellulari. I microfilamenti, con un diametro di 7 nm, sono polimeri della proteina actina: servono alla struttura della cellula ed al movimento.

24 ACTINA Le singole molecole di actina si chiamano actina G (actina globulare). In condizioni adeguate, le molecole di actina G polimerizzano a formare i microfilamenti; sotto questa forma, l'actina è chiamata actina F (actina filamentosa) Actina G Actina F

25 MIOSINA La miosina è composta da sei catene polipeptidiche: due catene pesanti e due coppie di catene leggere. La testa ha attività ATPasica e motrice. Controlla la contrazione muscolare, la contrattilità nelle fibre da stress e l’anello contrattile durante la citochinesi.

26 INTERAZIONE ACTINA-MIOSINA
I PONTI TRASVERSALI sono formati da legami tra l’actina F dei filamenti sottili e le teste di miosina dei filamenti spessi Ogni testa della miosina presente sul filamento va incontro a ripetuti cicli di legame alle subunità di actina sul filamento sottile; subisce un cambiamento conformazionale che richiede energia. La contrazione è controllata dall’ATP e dalla presenza degli ioni calcio

27 La forza che guida la formazione dei ponti trasversi è l’idrolisi dell’ATP, catalizzata da un’ATPasi attivata dall’actina, localizzata nella testa della miosina. Una testa di miosina non legata ad ATP si ancora saldamente all’actina (rigor): stadio breve a cui segue il legame dell’ATP. Quando l’ATP si lega alla testa di miosina, l’associazione actina-miosina si rompe

28 La miosina idrolizza l’ATP: la testa di miosina cambia “posizione” rispetto al resto della molecola
La miosina si riattacca debolmente ad un altro monomero di actina, rilascia Pi e questo fa aumentare la sua affinita’ per l’actina Il legame genera un cambiamento conformazionale che sposta la coda della miosina verso il centro del sarcomero

29 Fine del ciclo: si stacca l’ ADP e la testa di miosina si ancora di nuovo saldamente all’actina (rigor) in una posizione diversa sul filamento di actina. La contrazione muscolare richiede tanta energia, e il muscolo scheletrico contiene tanto ATP, che viene prodotto dai mitocondri durante i periodi di riposo. Nel sarcoplasma vi sono anche abbondanti riserve lipidiche e di glicogeno. Se le riserve di ATP finiscono durante I periodi di contrazione prolungata, l’ADP generata dall’idrolisi dell’ATP viene riconvertito in ATP attraverso glicolisi anerobica, che porta all’accumulo di acido lattico.

30 REGOLAZIONE DELLA CONTRAZIONE DA PARTE DEGLI IONI CALCIO
Il sito di legame della miosina sul filamento di actina è normalmente mascherato dalla tropomiosina, che deve essere rimossa per permettere l’attacco della miosina. La dipendenza dal calcio è regolata dalla troponina C (TnC), che si associa agli ioni calcio ed, una volta legata, va incontro ad un cambiamento conformazionale che si trasmette alla tropomiosina, inducendola a muoversi verso il centro dell’elica del filamento sottile. In questo modo i siti di legame sull’actina si rendono disponibili al legame con la testa della miosina, permettendo la contrazione.

31 Le cheratine sono un esempio di come la
funzione biologica di una proteina riflette la struttura delle catene polipeptidiche

32 Collageno Responsabile di un’elevata resistenza allo stiramento
Un altro esempio di come la funzione biologica di una proteina rifletta la sua struttura Responsabile di un’elevata resistenza allo stiramento

33 Sezione di una molecola di tropocollageno
H OH idrossiprolina 2