Le proteine - ITIS Cannizzaro

Le proteine : l’importanza nell’etimo
PROTEINA
PROTE ICO
proteiõs
protôs
acidi nucleici ed
carboidrati
altro
5%
2%
lipidi
10%
chimICO
PROTE INA
sostanza,
medicinale
primo
Sono i costituenti principali del
corpo umano
proteine
18%
acqua
65%
Le proteine:
prime, importanti
…
ma quanto grandi?
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 6ammino-esanoico”)
(sempre la stessa parte) .
Proteine: molte parti di 20 diverse parti (gli amminoacidi naturali)
20 diverse
parti
grande
versatilità e
potenzialità
struttura
funzione
Le proteine sono macromolecole biologiche polimeriche
che derivano dall’unione di unità monomeriche: gli amminoacidi
I costituenti delle proteine:
gli amminoacidi
Il carbonio alfa è chirale.
L- Gliceraldeide L-amminoacido
amminoacidi : proteine = lettere : parole
?
mRNA
•20 amminoacidi – 21 lettere;
•il significato (la funzione) non dipende da quali costituenti si utilizzano
ma da come sono disposti;
A + M + O + R 
ROMA
MORA
RAMO
OMAR
•il significato cambia sostituendo, togliendo aggiungendo un costituente;
R O M A A R O M A
M O R A
M O DA
•hanno un verso di lettura.
M O DA
ma le proteine sono molto più lunghe
e
c’è molto di più ………….
A D O M
Proteine non Parole
•Sono sintetizzate nel citoplasma delle cellule sui
ribosomi.
mRNA
•Sanno come organizzarsi e conoscono il loro ruolo.
•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
L’informazione è contenuta nella sequenza di aminoacidi
La funzione delle proteine dipende
dalla loro struttura
•Funzione strutturale: proteine fibrose la cui funzione è quella di sostegno, di
protezione, di supporto meccanico (capelli, unghie, tendini, cartilagine ecc.)
•Funzione contrattile o motile: le fibre muscolari, le ciglia e i flagelli delle
cellule sono proteine
•Funzione di regolazione: regolano le attività cellulari e fisiologiche (es.
ormoni)
•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
Sequenza <--> Struttura <--> Funzione
La funzione che una proteina svolge è strettamente
legata alla struttura tridimensionale che la proteina
assume
La struttura tridimensionale finale è quella più
stabile dal punto di vista termodinamico e viene
raggiunta attraverso vari livelli di organizzazione
strutturale
Tali livelli di organizzazione dipendono dalla
sequenza degli amminoacidi che è geneticamente
determinata.
I livelli di organizzazione
Le proteine, dal momento in cui vengono sintetizzate, passano per 3 stadi o
livelli di organizzazione
Struttura
secondaria foglietto -b
Struttura
primaria
Struttura
secondaria a -elica
Struttura terziaria
Struttura quaternaria
Le proteine formate da più subunità presentano un ulteriore livello di
organizzazione
La struttura primaria delle proteine
La STRUTTURA PRIMARIA di una proteina è data
dall’esatta sequenza degli amminoacidi.
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?
Il legame peptidico - formazione
In vitro: viene eliminata acqua!
Si ha una reazione di condensazione.
H2
O
In vivo il processo
è diverso.
H2
O
Legami peptidici
La geometria del legame peptidico
Piani e Snodi
Le configurazioni e le rotazioni nel
legame peptidico
La configurazione trans è la più
stabile.
Rotazione
•tra Cα e N ammidico (angolo Φ)
•tra Cα e C carbonilico (angolo Ψ)
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=O
di due differenti legami peptidici
si avvicinano finché …
si forma il legame ad idrogeno
DH< 0
… e la macromolecola
acquisisce una struttura più
stabile che determina …
DG diminuisce
Il processo è
spontaneo e …
… la struttura secondaria
maggiore stabilità
legami ad H
ripiegamento
rotazione
Le strutture secondarie
quante
2 (principali)
quali
a-elica; foglietto-b
perché (l’una o l’altra)
il gruppo R
La struttura ad a-elica
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
4
3
2
1
L’elica è destrorsa; ogni giro
comprende mediamente
3.6 residui amminoacidici.
Tra due Ca successivi
distanza : 5 Å; rotazione: 100 gradi
La struttura a foglietto b
Catene 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 piano
Legami intracatena (tra due gruppi ripiegati della stessa catena)
Il foglietto è
costituito da più
segmenti che
possono avere
verso uguale o
opposto
7A°
Il foglietto b parallelo
Il foglietto b antiparallelo
Il foglietto b parallelo e antiparallelo
I 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.
Foglietto β
antiparallelo
Foglietto β
parallelo
Strutture terziaria
La catena polipetidica, pur sempre flessibile nonostante la sua struttura
secondaria, si ripiega ulterioremente assumendo una forma peculiale nella
sua struttura terziaria .
α -Elica
Foglietto β
La struttura tridimensionale è strettamente legata alla funzione che la proteina espleta.
La tendenza a ripiegarsi ulteriormente esprime la naturale
tendenza a conseguire una conformazione a maggiore stabilità.
maggiore stabilità
DG<0
interazioni
Struttura terziaria: tipi di interazione
Legami H
Ponti disolfuro
Van der Waals
Idratazione
Ponti salini
LA STRUTTURA TERZIARIA DIPENDE DALLA STRUTTURA PRIMARIA
Fattori che determinano la struttura
della proteina: l’ambiente
DNA
RNA
SEQUENZA
STRUTTURA
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.
Struttura quaternaria
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 dell’emoglobina
Fe++
d2sp3
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).