Le proteine : l’importanza nell’etimo

PROTE INA

PROTE ICO chimICO

PROTEINA

proteiõs

protôs

primo

sostanza, medicinale

acqua65%

carboidrati5%

acidi nucleici ed altro2%

lipidi10%

proteine 18%

Sono i costituenti principali del corpo umano

Le proteine:

prime, importanti …

ma quanto grandi?

Le proteine sono macromolecole biologiche polimeriche

Cosa sono le proteine?Polimero = polys méros

molte parti ------ molte parti, ma anche differenti parti?Polietilene: molte parti di etilene (sempre la stessa parte)

Poliammide 6: molte parti di caprolattame (lattame di un amminoacido “acido 6-ammino-esanoico”) (sempre la stessa parte) .

Proteine: molte parti di 20 diverse parti (gli amminoacidi naturali)

20 diverse parti

grande versatilità e potenzialità

struttura

funzione

che derivano dall’unione di unità monomeriche: gli amminoacidi

I costituenti delle proteine: gli amminoacidi

L- Gliceraldeide L-amminoacido

Il carbonio alfa è chirale.

mRNA

amminoacidi : proteine = lettere : parole?

• 20 amminoacidi – 21 lettere;• il significato (la funzione) non dipende da quali costituenti si

utilizzano ma da come sono disposti;

• il significato cambia sostituendo, togliendo aggiungendo un costituente;

• hanno un verso di lettura.

A + M + O + R ROMA MORA RAMO OMAR

R O M A A R O M A M O R A M O DA

M O DA A D O M

ma le proteine sono molto più lunghe e

c’è molto di più ………….

• Sono sintetizzate nel citoplasma delle cellule sui ribosomi.

• Sanno come organizzarsi e conoscono il loro ruolo.

Proteine non Parole

mRNA

L’informazione è contenuta nella sequenza di aminoacidi

• Le proteine non sono semplici polimeri lineari di amminoacidi ma ogni proteina assume la struttura tridimensionale più adatta alla funzione che svolge in un determinato organismo

• Funzione strutturale: proteine fibrose la cui funzione è quella di sostegno, di protezione, di supporto meccanico (capelli, unghie, tendini, cartilagine ecc.)

• Funzione di regolazione: regolano le attività cellulari e fisiologiche (es. ormoni)

• Funzione contrattile o motile: le fibre muscolari, le ciglia e i flagelli delle cellule sono proteine

La funzione delle proteine dipendedalla loro struttura

• Funzione di trasporto: le proteine trasportatrici svolgono un ruolo fondamentale per la vita delle cellule e degli organismi (es. emoglobina coinvolta nel trasporto di ossigeno )

• Funzione catalitica: tutti gli enzimi, più o meno complessi, sono costituiti da proteine

• Funzione di difesa: gli anticorpi e il sistema della coagulazione del sangue sono di natura proteica

La funzione che una proteina svolge è strettamente legata alla struttura tridimensionale che la proteina assume

Tali livelli di organizzazione dipendono dalla sequenza degli amminoacidi che è geneticamente determinata.

La struttura tridimensionale finale è quella più stabile dal punto di vista termodinamico e viene raggiunta attraverso vari livelli di organizzazione strutturale

Sequenza <--> Struttura <--> Funzione

Le proteine, dal momento in cui vengono sintetizzate, passano per 3 stadi o livelli di organizzazione

Struttura primaria

Struttura secondaria a -elica

Struttura terziaria

Le proteine formate da più subunità presentano un ulteriore livello di organizzazione

Struttura quaternaria

I livelli di organizzazione

Struttura secondaria foglietto -b

La STRUTTURA PRIMARIA di una proteina è data dall’esatta sequenza degli amminoacidi.

La struttura primaria delle proteine

Essa non considera le ramificazioni e le altre interazioni ma le determina definendo, così, la forma e quindi la funzione della proteina stessa.

Ma come si legano gli amminoacidi?

H2

O

H2

O

Legami peptidici

In vitro: viene eliminata acqua!

Si ha una reazione di condensazione.

In vivo il processo

è diverso.

Il legame peptidico - formazione

La geometria del legame peptidico

Piani e Snodi

Le configurazioni e le rotazioni nel legame peptidico

La configurazione trans è la più stabile.

• tra Cα e N ammidico (angolo Φ) • tra Cα e C carbonilico (angolo Ψ)

Rotazione

Rotazione libera ma limitata per impedimenti

sterici

tra i gruppi peptidici e le catene laterali

La rotazione comporta ripiegamenti

Le ragioni del ripiegamento

I piani del legame ammidico, ruotando attraverso lo snodo (Ca), consentono il ripiegamento della proteina e quindi il conseguimento di una nuova conformazione.

Il processo è spontaneo quindi: DG<0.Ciò significa che ruotando le molecole conseguono una conformazione a minor contenuto energetico e quindi più stabile.

ΔG = ΔH – T ΔS

Nel caso delle proteine l’energia libera diminuisce perché il processo di ripiegamento è favorito entalpicamente.

L’importanza del legame ad idrogeno in biochimica

I piani ruotano e …

… ruotando gruppi N-H e C=Odi due differenti legami peptidici si avvicinano finché …

DH< 0

… e la macromolecola acquisisce una struttura più stabile che determina …si forma il legame ad idrogeno

DG diminuisceIl processo è spontaneo e …

… la struttura secondaria

maggiore stabilità legami ad H ripiegamento rotazione

Le strutture secondariequante quali perché (l’una o l’altra)

2 (principali) a-elica; foglietto-b il gruppo R

La struttura ad a-elica

4

3

2

1

Il legame ad H (intracatena) si stabilisce tra l’ N-H di un amminoacido e il C=O di quello che lo segue di 4 unità

L’elica è destrorsa; ogni girocomprende mediamente3.6 residui amminoacidici.Tra due Ca successivi distanza : 5 Å; rotazione: 100 gradi

La struttura a foglietto bCatene polipeptidiche quasi completamente estese 3,5Å distanza assiale tra due amminoacidi adiacenti I gruppi R sporgono alternativamente al di sopra e al di sotto del pianoLegami intracatena (tra due gruppi ripiegati della stessa catena)

7A°

Il foglietto è costituito da più segmenti che possono avere verso uguale o opposto

Il foglietto b parallelo

Il foglietto b antiparallelo

Foglietto βantiparallelo

Foglietto βparallelo

Il foglietto b parallelo e antiparalleloI foglietti β delle proteine contengono da 2 a 12 segmenti, in media 6.

I foglietti β paralleli con più di 5 segmenti sono rari, perché meno stabili dei foglietti β antiparalleli, in quanto i legami H dei primi sono maggiormente distorti di quelli dei secondi.

Si incontrano frequentemente foglietti β contenenti sia segmenti paralleli che segmenti antiparalleli.

Strutture terziariaLa catena polipetidica, pur sempre flessibile nonostante la sua struttura secondaria, si ripiega ulterioremente assumendo una forma peculiale nella sua struttura terziaria .

Foglietto βFoglietto βα -Elicaα -Elica

La tendenza a ripiegarsi ulteriormente esprime la naturale tendenza a conseguire una conformazione a maggiore stabilità.

La struttura tridimensionale è strettamente legata alla funzione che la proteina espleta.

maggiore stabilità DG<0 interazioni

Ponti saliniPonti disolfuroLegami H Van der Waals Idratazione

Struttura terziaria: tipi di interazione

LA STRUTTURA TERZIARIA DIPENDE DALLA STRUTTURA PRIMARIA

Fattori che determinano la struttura della proteina:

l’ambienteDNA RNA STRUTTURASEQUENZA FUNZIONE

… ma la conformazione della molecola dipende anche dall’ambiente in cui si trova.

Ad esempio in ambiente acquoso e proteine si assestano disponendo i residui polari verso l’esterno e quelli apolari verso l’interno in modo da favorire la loro sospensione in acqua

Mentre quelle operanti in ambiente lipofilo, come quello caratteristico delle membrane cellulari, avranno i residui apolari verso l’esterno.

Interazione di più proteine attraverso legami deboli.Si forma così un aggregato molecolare nel quale ciascuna proteina costituente (subunità) mantiene la propria struttura terziaria.

L’aggregazione di questi monomeri proteici è data essenzialmente dall’effetto idrofobico: quando catene polipeptidiche separate si avvolgono in forme tridimensionali compatte per esporre i gruppi polari verso l’ambiente acquoso e per schermare quelli non polari dall’acqua, allora appaiono sulla superficie delle toppe idrofobiche, in contatto con l’acqua. Queste toppe possono essere schermate dall’ambiente acquoso, se due o più monomeri si assemblano ponendo a contatto le toppe idrofobiche.

Struttura quaternaria

Fe++

d2sp3

Struttura quaternaria dell’emoglobina

Denaturazione

STRUTTURA FUNZIONE

CONFORMAZIONE TRIDIMENSIONALE NATIVA CONDIZIONI OTTIMALI

La conformazione nativa può essere sconvolta e disorganizzata, senza rottura di alcun legame peptidico ma distruggendo solo i legami non covalenti (ponti H, legami ionici, legami idrofobici)

DENATURAZIONE:

passaggio dalla configurazione nativa (ordinata, funzionale) ad una denaturata (disordinata, non funzionale o meno efficace ed efficiente con riferimento all’attività biologica).

Detto passaggio è causato da agenti denaturanti tra i quali i più comuni sono il calore, il pH, i detergenti, e reagenti capaci di dare forti legami H

Gli agenti denaturanti

IL CALORE: l’energia fornita sotto forma di calore rompe i legami più deboli (intorno a 60°C quasi tutte le proteine sono denaturate).Applicazione: sterilizzazione si uccidono i microbi denaturando le loro proteine in particolare quelle enzimatiche.

IL pH (valori estremi): gli acidi e le basi interferiscono con i residui ionizzabili rompendo i legami ionici.Applicazione: il processo di defacazione nelle determinazioni analitiche si allontana la parte proteica precipitandola con un forte acido organico (ad es. acido trifluoroacetico).

DETERGENTI: modificano la struttura proteica che rivolge i suoi residui polari verso l’esterno per poter rimanere in sospensione.Applicazione: SDS PAGE

REAGENTI capaci di dare forti LEGAMI H: competono con i ponti a idrogeno della struttura secondaria e terziaria della proteina ( es. Urea 8M).