6° Lezione - Struttura delle proteine - Scuola1024

STRUTTURA DELLE PROTEINE

Peptide Peptide:
corta catena (meno di 20 ammino acidi)
mancanza di una struttura spaziale organizzata
Polipeptide (proteina proteina):
lunga catena di ammino acidi
struttura spaziale organizzata

Le proteine svolgono numerose e svariate funzioni:
SOSTEGNO
SOSTEGNO: : Proteine strutturali, (collagene, cheratina, elastina,
fibroina).
MOVIMENTO
MOVIMENTO: : Proteine contrattili (actina e miosina).
TRASPORTO
TRASPORTO: : Emoglobina, mioglobina, apolipoproteine
apolipoproteine, , albumina,
proteine di membrana.
CATALISI CATALISI: : Tutti gli enzimi
ORMONALI
ORMONALI: : Insulina e glucagone sono solo alcuni esempi di ormoni
di natura proteica.
"DIFESA DIFESA": ": Immunoglobuline (anticorpi).
"ATTACCO
ATTACCO": ": Tossine batteriche, veleni dei serpenti.
RISERVA RISERVA: Normalmente le proteine non hanno un ruolo di riserva di
amminoacidi, ma l' l'ovoalbumina
ovoalbumina e la caseina sono esempi di proteine
con questa funzione funzione.

Forma e Funzione
Le proteine di sostegno e alcune di quelle
contrattili hanno una forma fibrosa fibrosa. . Sono
costituite da catene polipeptidiche allungate,
disposte in fasci lungo uno stesso asse a costituire
le fibre fibre.. Sono insolubili in acqua.
• Gli enzimi, gli anticorpi e le proteine di
trasporto hanno invece una forma globulare globulare. . Le
catene sono strettamente avvolte in forma
compatta, sferica o globulare, come un gomitolo.
Sono solubili in acqua.

D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Struttura primaria
La struttura primaria di una proteina è l'ordine con cui gli
amminoacidi si susseguono nella catena polipeptidica
polipeptidica. . In breve,
la struttura primaria si identifica con la sequenza
amminoacidica
amminoacidica.
• L'ordine con cui gli amminoacidi si susseguono nella catena
non è casuale, ma è rigorosamente immutabile per ogni
particolare proteina di un organismo.
• Così ad esempio l'albumina (una proteina sierica presente in
numerosi organismi animali), in ogni individuo appartenente alla stessa
specie, presenta sempre la stessa composizione in amminoacidi
amminoacidi, , i quali
sono legati l'uno all'altro sempre con lo stesso ordine ordine.

Il meccanismo della biosintesi proteica (che avviene sui ribosomi) assicura
che la proteina sia costruita secondo le precise istruzioni contenute in una
porzione di DNA, il gene.
Nei geni, le informazioni sono codificate in triplette di basi basi, , ognuna delle
quali corrisponde ad un particolare amminoacido.
Il cosiddetto "dogma centrale" ci ricorda che il flusso
dell'informazione procede dal DNA all'RNA messaggero ed
infine alla proteina, in cui l'informazione si concretizza in una
entità funzionale.
Le proteine sono infatti quelle molecole che realizzano gli
obiettivi codificati nel "progetto dell'organismo", cioè nei geni del
DNA cromosomico.

La struttura secondaria
Le catene polipetidiche si ripiegano formando strutture regolari.
Esistono diversi motivi proteici:
elica Foglietto β Anse Ripiegamenti

I diversi motivi proteici impartiscono caratteristiche
differenti
L’ -elica elica
La conformazione destrorsa
elicoidale ha 3,6 residui per
giro.
In media 12 aa.
Le linee tratteggiate indicano i
legami idrogeno che si formano
tra gruppi C=O e gruppi N-H
che si trovano a quattro
residui l’uno dall’altro lungo la
catena polipeptidica.
L’idrofilicità/idrofobicità della
catena dipende dai gruppi R
(verde) che sono rivolti verso
l’esterno della molecola.
[© Irving Geis.]
Tratto da D. Voet, G. Voet e C.W. Pratt “Fondamenti di biochimica”
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E,
Zanichelli editore S.p.A.
Copyright © 2007

Modello spaziale di un’ -elica elica.
Gli atomi dello scheletro sono
colorati: carbonio carbonio, azoto azoto, ossigeno e
idrogeno (bianco). Le catene laterali
si proiettano verso l’esterno fuori
dall’elica.
Questa -elica è un segmento della
mioglobina di capodoglio.
La prolina, avendo il gruppo R
impegnato nell’anello imminico, non ha
un NH che possa formare un legame a
H e a causa dell'anomalo ingombro
sterico del proprio gruppo laterale,
costringe il piano peptidico ad
assumere angoli diedrici non idonei alla
formazione dell'α-elica.
Tratto da D. Voet, G. Voet e C.W. Pratt “Fondamenti di biochimica”

La permanente è un’operazione di ingegneria
biochimica!
L’ -cheratina assume la conformazione con il
vapore acqueo ("messa in piega").
La riduzione dei ponti disolfuro e il trattamento
a caldo fa sì che la struttura ad -elica si
“srotoli” e si allunghi. La soluzione riducente
viene quindi lavata via e si aggiunge un agente
ossidante che riforma ponti disolfuro nuovi tra
le cys delle diverse catene. L’asciugatura
rigenera le -eliche e il capello assume la forma
del bigodino, arricciandosi.
La cheratina presente in maggiore quantità
nel capello è quella , fibrosa, a basso
contenuto di gruppi SH, con PM circa 45 kD kD,
insolubile in acqua acqua. Le catene polipeptidiche
sono rese stabili da legami ponte idrogeno
(conferiscono solidità) e ponti disolfuro disolfuro.

(a) Foglietto antiparallelo
(5 (5--15 15 residui residui; ; 22--12
12 catene catene polipeptidiche
polipeptidiche): ):
l’orientamento
l’orientamento , , ( (Nterminale Nterminale vs vs
Cterminale Cterminale) ) è è in in senso senso contrario contrario
Foglietti
Le linee tratteggiate indicano i legami
idrogeno tra le catene polipeptidiche. Per
maggiore chiarezza le catene laterali non
sono state riportate.
Normalmente i foglietti β non sono planari,
ma tendono ad assumere una forma
incurvata e lievemente "avvitata".
[© Irving Geis]
(b) Foglietto parallelo
((55--15 15 residui residui; ; 22--12
12 catene catene polipeptidiche
polipeptidiche))
Meno Meno stabile stabile ( (legami legami H H distorti distorti))
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Foglietto misto
Foglietto avvolto
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007

Ripiegamenti e anse
Nelle proteine sono presenti anche tratti di
catena apparentemente disorganizzati, di
lunghezza molto variabile e più o meno convoluti convoluti.
Questi tratti, definiti loop loop, fanno da collegamento
fra α eliche o foglietti β ed hanno un importante
ruolo nell’organizzazione 3D del peptide peptide.
Sono relativamente flessibili e, soprattutto, consentono cambi di
direzione, anche repentini, alle sequenze in conformazione α e β.
Molto comuni sono i brevi loop di 3-5 residui che collegano due
filamenti β consecutivi, orientati in modo antiparallelo (β-turns turns).
Inoltre, i loop partecipano spesso alla formazione di siti di legame
(loop loop "a forcina" degli anticorpi) o del sito attivo degli enzimi enzimi.
Nelle regioni loop è quasi costante la presenza degli aminoacidi glicina glicina
o prolina.
prolina

(a) (b)
Connessioni tra catene adiacenti in foglietti
(a) Le catene antiparallele possono essere collegate da una piccola ansa (3-4 aa aa,
residui Pro o Gly Gly).
(b) Le catene parallele richiededono invece un’estesa connessione trasversale trasversale.
[Tratta Tratta da Richardson, J.S., Adv Adv. Protein Chem Chem. 34 34, p. 196 (1981 1981).]
Presente
con
maggiore
frequenza
Tratto da D. Voet, G. Voet e C.W. Pratt “Fondamenti di biochimica”

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Distribuzione degli aa nelle diverse strutture II
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

La struttura tridimensionale/terziaria
Rappresenta la struttura tridimensionale vera e propria della
proteina. In pratica, la struttura terziaria definisce le coordinate
spaziali di tutti gli atomi del polipeptide.
E’ caratteristica delle proteine globulari, assente in quelle fibrose
E’ determinata da una sequenza aa unica ed è la struttura più stabile
dal punto di vista termodinamico (conformazione nativa)
E’ stabilizzata da forze non covalenti
Determina ed influenza la funzione della
proteina

E’ dovuta a legami ionici, ponti H,
interazioni idrofobiche, covalenti
P. Champe, R. Harvey, D. R. Ferrier, LE BASI DELLA BIOCHIMICA, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Rappresentazioni di strutture terziarie: la mioglobina di
a) A nastro
b) A rete (risalto alla
superficie)
c) Evidenzia tasche e
infossature
d) Evidenzia le catene
laterali dei residui
idrofobici
e) Modello spaziale con
catene laterali
capodoglio
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

La struttura quaternaria

La struttura quaternaria
Molte proteine nella loro forma attiva sono costituite dall'associazione
di due o più unità di struttura terziaria (monomeri monomeri o subunità subunità), ), uguali
(proteine proteine omo omo-oligomeriche
oligomeriche) o diverse (proteine proteine etero etero-oligomeriche
oligomeriche).
Si parla in tal caso di struttura quaternaria
quaternaria, per riferirsi
all'organizzazione multimerica della proteina proteina.
Le subunità sono tenute insieme da interazioni generalmente non
covalenti, spesso di natura idrofobica idrofobica.
Raramente, più catene peptidiche sono unite da legami covalenti covalenti.
Es Es. le IgG IgG, in cui le catene leggere e pesanti sono tenute insieme da ponti
disolfuro disolfuro.
Altrettanto insolito è il coinvolgimento diretto di legami a ponte di
idrogeno nell'associazione di più subunità subunità. Nella struttura quaternaria
infatti, le subunità tendono ad affiancarsi in modo da contrapporre l'una
all'altra le loro porzioni idrofobiche, rivolgendo verso l'esterno le regioni
polari, idrofile idrofile.

La struttura quaternaria: l’esempio delle IgS
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A S.p.A. Copyright © 2006

La struttura quaternaria: l’esempio delle IgS
Il macrofago espone le proteine MHC
(complesso maggiore di
istocompatibilità) che lega frammenti
peptidici derivanti dalla digestione di
proteine.
Quando i peptidi derivano dalla
digestione delle proteine virali,
diventano gli antigeni che il sistema
immunitario riconosce come estranei.
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A S.p.A. Copyright © 2006

Folding delle proteine
Per poter svolgere la propria funzione biologica, una
proteina deve essere strutturata nella cosiddetta
conformazione nativa
La conformazione nativa è quella struttura 3D stabile e
funzionale funzionale, , caratterizzata da un minimo di energia
potenziale e da quella particolare conformazione, unica,
che consente alla proteina di svolgere adeguatamente la
funzione a cui è deputata.
Il processo che dalla biosintesi del peptide, porta alla
proteina strutturata nella forma nativa, biologicamente
attiva, prende il nome di "folding folding". ".

Il meccanismo del folding è probabilmente un processo
progressivo progressivo. Le strutture secondarie (α-eliche eliche e strutture
β) si formano piuttosto rapidamente, dato che devono
sottostare a "costrizioni" più rigide e a breve distanza distanza.
Le regioni flessibili iniziano a ripiegarsi per effetto delle
interazioni a lungo raggio e delle interazioni con il solvente solvente.
I residui polari tenderanno a rimanere esposti alla
superficie, mentre quelli apolari verranno "sepolti"
all'interno della proteina proteina.

Nonostante sia un processo termodinamicamente spontaneo, il
folding "in vivo" è molto spesso facilitato da particolari
proteine che vengono chiamate "chaperon chaperon molecolari molecolari".
Agirebbero in modo da impedire alla proteina in fase di
maturazione di intraprendere un percorso di strutturazione
errato, che la condurrebbe ad un processo di aggregazione
irreversibile
irreversibile
Questo aspetto del folding folding ha un'enorme importanza medica,
poiché sembra che patologie quali l'Alzheimer, la fibrosi cistica
e il morbo della mucca pazza (sindrome di Creutzfeldt
Creutzfeldt-Jakob Jakob
nell'uomo) abbiano una eziologia comune in un difettoso folding folding
di alcune proteine, con conseguente aggregazione,
precipitazione e successiva morte cellulare cellulare.

Unfolding
Il folding è un processo reversibile.
Esponendo una proteina
nativa a condizioni
particolari di
temperatura, pH, forza
ionica oppure all'azione
di agenti denaturanti
(quali urea o guanidina) o
di detergenti, è possibile
provocarne la
destrutturazione più o
meno completa
("unfolding").

Ribonucleasi
La denaturazione della proteina
porta alla perdita della forma nativa e
biologicamente attiva della proteina
per alterazione delle strutture II e III
(ma non della struttura primaria!!!)
In vitro, un buon numero di proteine
denaturate tende a riacquistare
spontaneamente la forma nativa
(refolding o rinaturazione) per semplice
rimozione delle cause che ne hanno
provocato l'unfolding, ovvero in
seguito al ripristino delle condizioni
iniziali ottimali.
D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

I gruppi prostetici
Parte non aminoacidica di una proteina coniugata
Ha un ruolo
determinante
della funzione
biologica della
proteina

I polipeptidi di grandi dimensioni possono formare i
domìni
Alcune proteine presentano unità strutturalmente
indipendenti che possiedono le caratteristiche di
piccole proteine globulari
La gliceraldeide 3P
deidrogenasi possiede due
domini: il primo lega il
NAD + (rosso), il secondo secondo
(verde) lega il substrato,
la gliceraldeide 3P.

Riassumendo…..
P. Champe, R. Harvey, D. R.
Ferrier, LE BASI DELLA
BIOCHIMICA, Zanichelli
Editore S.p.A. Copyright ©
2006