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STRUTTURA E FUNZIONE DELLE PROTEINE

La struttura delle biomolecole è un argomento di grande interesse per molti settori della ricerca di base e applicativa

STRUTTURA

Funzione

Meccanismo

Origine/Evoluzione

LE PROTEINE (dal greco protos: principale) SONO LE MACROMOLECOLE PIU’ ABBONDANTI E SVOLGONO SVARIATE FUNZIONI, ad es.:

La proteina cheratina è il componente strutturale dei

capelli, squame, corna, lana, unghie etc.

La luce prodotta dalle lucciole coinvolge la

proteina luciferina;

Gli eritrociti contengono la

proteina emoglobina che trasporta

l’ossigeno;

Le più importanti tecniche sperimentali e teoriche per l’analisi delle strutture di macromolecole

Microscopie

Simulazioni al computer di dinamiche molecolare e interazioni molecolari

Spettroscopie

Difrattometria ai raggi X

Modellistica molecolare

La struttura delle proteine ne determina la funzione

• Le proteine sono singole catene, non ramificate di monomeri amino acidici

• Ci sono 20 differenti amino acidi• La sequenza degli amino acidi di una proteina ne determina

la sua struttura tridimensionale (conformazione) • A sua volta, la struttura di una proteina ne determina la

funzione

Tutti gli amino acidi hanno la stessa struttura generale ma ciascuno differisce

per il gruppo R

Amino Acidi Idrofilici

Amino acidi idrofobici e amino acidi “speciali”

I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari

• Primaria: la sequenza lineare degli amino acidi• Secondaria: l’organizzazione di parti di una catena

polipeptidica (esempio: l’α elica o il foglietto β)• Terziaria: la struttura tridimensionale completa di una

catena polipeptidica• Quaternaria: l’associazione di due o più polipeptidi in una

struttura complessa multi-subunità

Quattro livelli di struttura determinano la forma di una proteina

Contengono 20 amminoacidi uniti tramite un legame “peptidico”covalente

Il legame peptidico

Amminoacido

Il legame peptidico

Non tutte gli orientamenti di Psi e Phi sono possibili

Il grafico di RamachandranLe conformazioni possibili in

natura sono:

1) Foglietto beta parallelo ed antiparallelo

2) Elica C

3) Alfa elica destrogira

4) Alfa elica levogira

5) Elica 3

6) Elica pi greco

Le strutture secondarie sono mantenute da legami idrogeno tra atomi di residui aminoacidici.

• α-elica → Stabilizzata da legami-H intracatena fra:

• protoni ammidici \ ossigeni carbonilici

• n=3.613 (13 atomi fra i 2 atomi che fanno il ponte a H)

• p= 5.4 Å• Legami H fra C=O del

residuo n ed il gruppo N-Hdel residuo (n+4)

Strutture secondarie: il foglietto beta

Struttura beta

• Stabilizzati da legami-H fra gruppi C=O e N-H dei legami peptidiciintercatena (fra catene poliptidicheaffiancate)

• Struttura antiparallela è piùstabile

Strutture non ripetitive (β-turns)

La struttura terziaria è generata dal ripiegamento e dalla conformazione della catena polipeptidica.

La struttura quaternaria è l’organizzazione di polipeptidi in un’unica unità funzionale che consiste di più di unasubunità polipeptidica.

Classificazione generale delle strutture terziarie

Proteine con predominanza

di α elica

Proteine con predominanza di β sheets

Proteine miste

• In una proteina globulare:• le catene laterali idrofobe si

trovano prevalentemente all’interno della proteina

• i residui carichi + o – si trovano sulla superficie della proteina

• i residui polari possono trovarsi verso l’interno della proteina (in questo caso inevitabilmente formano ponti-H con altri residui polari)

La struttura quaternaria riguarda proteine costituite da più catene polipeptidiche o da più domini strutturali (es. proteine regolatrici)

Esempio: la emoglobina

La struttura quaternaria delle proteine

Le interazioni tra le subunità consentono grandi variazioni nell’attività catalitica

Le interazioni non covalenti che partecipano nella definizione della struttura delle biomolecole

Hum αglobina: mvlspadktn vkaawgkvga hageygaeal Bovis: mvlsaadkgn vkaawgkvgg haaeygaeal Pig: vlsaadkan vkaawgkvgg qagahgaeal

ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg kkvadaltna vahvddmpna ermflsfptt ktyfphfdls hgsaqvkghg akvaaaltka vehlddlpga ermflgfptt ktyfphfnls hgsdqvkahg kvadaltka vghlddlpga

lsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahlpaeftp avhasldkfl lselsdlhah klrvdpvnfk llshsllvtl ashlpsdftp avhasldkfllsalsdlhah klrvdpvnfk llshcllvtl aahhpddfnp svhasldkfl

asvstvltsk yranvstvltsk yranvstvltsk yr

Comparazione sequenze

L’omologia delle sequenze suggerisce relazioni funzionali ed evolutive tra le

proteine

Conformazione, modificazione e degradazione delle proteine

• Una catena polipeptidica appena sintetizzata deve conformarsi e spesso subire modificazioni chimiche per generare la proteina finale

• Tutti i polipeptidi con la stessa sequenza amminoacidicaassumono, in condizioni standard, la stessa conformazione (lo stato nativo), che è la più stabile conformazione che la molecola può assumere.

L’ informazione per il “folding” della proteina è contenuta nella sequenza

Proteine denaturare al calore, con acidi, o chimici perdono lastruttura terziaria e secondaria e la funzione biologica.

Il processo è reversibile

Ipotesi termodinamica di Anfinsen (per proteine a singolo dominio)

L’informazione codificata nella sequenza amminoacidica di una proteina determina completamente la sua struttura nativa

Lo stato nativo è il minimo assoluto dell’energia libera della proteina

Termodinamica del folding visto come imbuto di energia liberaSi raggiunge il minimo energetico assolutopercorrendo anche strade diverse

Ogni minimo relativo corrisponde a stati intermedi metastabili

Le interazioni idrofobichedi residui non polari provocano il “collasso idrofobico”

Scendendo verso il basso si ha una diminuzione delle specie

Le chaperonine assistono le proteine nella fase di folding, prevenendo il legame con ligandi inappropriati.

Molte malattie sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina

Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formaregrossi aggregati (fibrille o forme amiloidi): Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme, diabete di tipo II.

In altri casi mutazioni puntiformi generano proteine che non raggiungono la loro locazione finale o che non sono più in grado di svolgere la loro funzione perché incapaci di legare i loro substrati.

Fibrosi cistica: difetto nella proteina transmembrana che agisce come un canale degli ioni cloro nelle cellule epiteliali (CFTR: 1480 amminoacidi). La mutazione più comune è la delezione di un amminoacido (Phe 508) e la proteina mutata non si avvolge correttamente.

Proteine conformate in modo aberrante sono implicate nello

sviluppo di patologie

Una placca amiloidenella malattia diAlzheimer è un agglomerato di filamenti proteici

PROTEINE CONIUGATE

GLICOPROTEINE: enzimi, anticorpi, molecole di riconoscimento e recettori, supporti extracellulari.

Tutte le proteine localizzate sulla superficie cellulare e negli spazi intercellulari sono GLICOPROTEINE.I gruppi carboidratici, a causa dei molti siti in grado di formare legami idrogeno, ne aumentano la stabilità conformazionale; conferiscono resistenza all'attacco enzimatico; forniscono gruppi specifici, riconoscibili dai ligandi.

LIPOPROTEINE: moltissime nelle membrane cellulari, in special modo nella membrana plasmatica, dove il gruppo lipidico funge da ancora per la proteina.

METALLOPROTEINE: spesso la loro presenza è necessaria per l'attività degli enzimi.

Alcune Applicazioni

MODELLIZZARE la struttura tridimensionale a risoluzione atomica della molecola

Effettuare MUTAZIONI puntiformi, che possono fornire indicazioni utili per il riconoscimento del sito attivo o di strutture indispensabili all'attività della molecola o dirette ad una certa funzione.

Studiare le VARIAZIONI CONFORMAZIONALIprovocate dall’interazione della proteina con uno o piùLIGANDI, la quale fornisce l’attivazione (o inattivazione) necessaria per compiere la propria funzione biologica (o per impedirla).

Monitorare i CAMBIAMENTI STRUTTURALIindotti su peptidi o proteine da parte di MEMBRANE BIOLOGICHE, i quali sembrano essere fondamentali per il riconoscimento con il recettore o per oltrepassare la fase lipidica e raggiungere zone altrimenti inaccessibili.

Comprendere il processo di FOLDING delle proteine, ovvero il meccanismo di ripiegamento con cui raggiungono la confomazione biologicamente attiva.

Applicazioni FARMACOLOGICHE: viene fornita un’indicazione specifica, o quanto meno restrittiva, della struttura opportuna in funzione del bersaglio del farmaco. In questo campo, la costruzione di strutture calibrate permette di ridurre la ricerca ad un ristretto raggio d’azione.

Funzioni proteiche

• La funzione proteica generalmente richiede cambiamenti conformazionali

• Le proteine possono essere destinate a legare un range di molecole (ligandi)– Il legame è caratterizzato da due proprietà: affinità e specificità

• Gli anticorpi posseggono precise specificità di legame • Gli enzimi sono catalizzatori molto efficienti e specifici

– il sito attivo di un enzima si lega ad un substrato e catalizza una reazione