Amminoacidi e proteine

AMMINOACIDI
R
= H
glicina
R
= CH3
alanina
R
= CH2
serina
OH
R
= CH2
cisteina
SH
R
= CH2
+H
3N
COO-
fenilalanina
O
R
= CH2
tirosina
O
OH
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
Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R
Le catene laterali di
questi a.a. sono più
idrofiliche per la
presenza di cariche
nette positive o
negative
Amminoacidi con
catene laterali basiche
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, a-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
si
si
Fenilalanina
si
si
si
Isoleucina
si
si
si
Istidina
si
si
si
Leucina
si
si
si
Lisina
si
si
si
Metionina
si
si
si
Tirosina
si
si
no
Treonina
si
si
si
Triptofano
si
si
si
Valina
si
si
si
Glicina
no
si
no
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
Ferro
Ferritina
Zinco
Alcol deidrogenasi
Calcio
Calmodulina
Molibdeno
Dinitrogenasi
Rame
Plastocianina
Metalloproteine
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’a-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 b
• 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
tridimensionale
una
proteina
nello
spazio
 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
Inability to fold
Protein Involved
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
Mislocalization owing
to misfolding
Cancer
p53
Osteogenesis imperfecta
Type I procollagen pro
Familial hypercholesterolemia
LDL receptor
α1-Antitrypsin deficiency
α-Antitrypsin
tay-Sachs disease
β-Hexoseaminidase
Retinitis pigmentosa
Rhodopsin
Leprechunism
Insulin receptor
α
Systemic extra
cellular amyloidoses
Disease
Protein Involved
primary systemic amyloidosis
Intact Ig light chains or fragments
secondary systemic amyloidosis
Fragments of serum amyloid A protein
familial Mediterranean fever
Fragments of serum amyloid A protein
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
Organ-limited extra
cellular amyloidoses
α-chain amyloidosis
Fibrinogen
α-chain variants
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
Atrial amyloidosis
Procalcitonin
Atrial natriuretic factor
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