• Le proteine sono macromolecole costituite dall’unione di un grande numero di unitàelementari: gli amminoacidi (AA)

• Sebbene in natura esistano più di 300 amminoacidi, soltanto 20 sono incorporati nelle proteine dei mammiferi poiché sono gli unici codificati dal DNA

• La caratteristica strutturale comune a tutte le proteine è di essere dei polimeri lineari di amminoacidi

• Ciascuna proteina ha però una propria struttura tridimensionale che la rende capace di svolgere specifiche funzioni biologiche

• Le proteine rappresentano gli elementi strutturali e funzionali piùimportanti nei sistemi viventi.

• Qualsiasi processo vitale dipende da questa classe di molecole: p. es. la catalisi delle reazioni metaboliche (enzimi), le difese immunitarie(immunoglobuline), il trasporto di ossigeno (emoglobina), il trasporto di nutrienti (albumina), il movimento(actina, miosina).

Le proteine sono biomolecole in grado di comunicare tra di loro e con altre molecole. Le relazioni possibili sono alla base della scelta dei “partner” e della costruzione dei “pathway”.Il profilo di superficie determinato dalle catene laterali degli aa. è alla base di questa proprietà

Ligando

Falso Ligando Falso Ligando

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Esempi di modalità di interazione

• ALLOSTERIA (ad es. nei recettori, nei canali ionici, nella contrazione).

• MOVIMENTO (ad es. il colpo generato dalla miosina a seguito dell’azione ATPasica delle 2 teste, e dell’actina che dopo il legame con l’ATP polimerizza consentendo alla miosina di attaccarsi)

• TRASFORMAZIONE (Gli Enzimi che trasformano il ligando Substrato in Prodotto)

• FOSFORILAZIONI (legame covalente con il ligando PO4

– che modifica la struttura e quindi le interazioni successive)

L’O2 che entra ed esce dalla tasca idrofobica delle catene globiniche determina il movimento ritmico di questa proteina.

La caratteristica distintiva di ogni

proteina è la particolare sequenza

di aminoacidi

Il dogma centrale della geneticaEspressione genica.

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• Per Iniziare ci occuperemo dell’organizzazione strutturale delle proteine: le più grandi molecole fin’ora incontrate.

CLASSIFICHIAMOLELe proteine possono essere Fibrose e Globulari

Proteine Fibrose

• Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti.

• In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria.

• Sono insolubili in H2O per la presenza di elevate [ ] di AA idrofobici.

• Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da nascondere al solvente le superfici idrofobiche.

• Sono adatte a ruoli strutturali (p.es. α-cheratina, collageno).

Proteine Fibrose e Globulari

• Le proteine possono essere divise in due classi:

Proteine fibrose

Proteine Globulari

Le Proteine Fibrose• Sono di origine animale, insolubili in acqua,• Assolvono per lo più a ruoli strutturali .

Si dividono in tre categorie:

� le cheratine� i collageni� le sete

Formano tessuti protettiviFormano tessuti connettivi

Formano rivestimenti ad es. i bozzoli dei bachi da seta

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Le Proteine Fibrose

• Cheratine e collageni hanno strutture ad elica,

• Le sete hanno struttura foglietto beta

Gruppi apolari e ponti disolfuro tendono a conferire rigidità e insolubilità alle proteine fibrose.

Le Proteine Globulari• Sono solubili in acqua,• di forma quasi sferica,• Assolvono funzioni biologiche.

Possono essere:• Enzimi • Ormoni• Proteine di trasporto• Proteine di deposito

Le Proteine Globulari• Contengono

amminoacidi con catene polari e cariche,

• Sono strutture elicoidali.

Mioglobina, proteina globulare che trasporta l’ossigeno nei muscoli. Le interazioni sono dovute

alla polarità o meno dei gruppi R, ai ponti disolfuro e alla capacità di formare legame ad idrogeno.

Proteina molecole composte da una o più catene polipeptidiche

Proteine monomeriche

Proteine multimeriche

omomultimeriche eteromultimeriche(stesso tipo dipolipeptide)

(diversi tipi dipolipeptidi)

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Le proteineFondamentali in ogni organismo, hanno

molteplici ruoli:• Componenti strutturali (collagene, tessuto

connettivo, citoscheletro, pelle)• Trasportatori (emoglobina, albumina)• Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici)• Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi)• Difesa contro i patogeni (immunoglobuline)• Controllo e regolazione dell’espressione

genica (istoni)• Deposito di materiale (ferritina)• Proteine dei sistemi contrattili (miosina)

Es. Albumina: aumenta solubilita’ degli acidi grassi nel sangueIstoni: proteine nucleiche, formano la cromatina insieme al DNA

• I 20 amminoacidi che si trovano comunemente nelle proteine sono uniti l’uno all’altro da legami peptidici.

• La sequenza lineare degli amminoacidi legati contiene l’informazione necessaria a generare una proteina con una forma tridimensionale esclusiva.

• La struttura di una proteina è complessa: organizzazione in 4 livelli gerarchici(struttura primaria, secondaria, terziaria, quaternaria).

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.

La “forma” della proteina èimportante

• La grande importanza della struttura(forma) della proteina è testimoniata dall’esistenza di complessi meccanismi che presiedono al raggiungimento e al mantenimento di questa struttura. Il capitolo che si occupa di: “folding”, “misfolding” e “refolding”delle proteine è molto vasto e complesso ed ha originato una branca della biochimica a se stante, di cui ci limiteremo a studiare solo gli aspetti piùsalienti. Un intera famiglia di proteine, le chaperonine presiede al mantenimento corretto del folding proteico.

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Fibrosi cistica• Questa patologia si caratterizza per un'anomalia nel

trasporto del cloro nella membrana delle cellule delle ghiandole a secrezione esterna. Di conseguenza queste ghiandole secernono un muco denso e vischioso e quindi poco scorrevole. Negli organi interessati, le secrezioni mucose, essendo anormalmente viscose, determinano un'ostruzione dei dotti principali, provocando l'insorgenza di gran parte delle manifestazioni cliniche tipiche della malattia, come la comparsa di infezioni polmonari ricorrenti, di insufficienza pancreatica, di steatorrea,di stati di malnutrizione, di cirrosi epatica, di ostruzione intestinale e di infertilità maschile; è una malattia molto grave.

La delezione di 1a. su 1480aa. Può causare la Fibrosi Cistica

• La fibrosi cistica (FC), o mucoviscidosi, o malattia fibrocistica del pancreas, èuna malattia genetica autosomica recessiva che si manifesta pienamente soltanto negli omozigoti e ha una leggera sintomatologia clinica negli eterozigoti.

• La patologia è causata da una mutazione del gene CFTCR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) che codifica una proteina di 1480aa. situata sulla membrana delle cellule epiteliali, la cui funzione, normalmente, èquella di trasportare il Cl attraverso le membrane a livello della m. apicale delle cellule epiteliali di:

• Vie aeree, • pancreas, • intestino, • ghiandole sudoripari e salivari etc.. • Lo squilibrio ionico è causato da un'alterazione della secrezione da parte

delle cellule epiteliali di ioni cloro e un conseguente maggior riassorbimento di sodio e acqua.

• È la malattia genetica ereditaria mortale più comune nella popolazione caucasica. Si conoscono più di 1000 diverse mutazioni del gene CFTR. La piùfrequente nella popolazione di origine caucasica è una delezione di 3 nucleotidi (CTT), che provoca la perdita dell'aminoacido fenilalanina codificato dal codone 508 (delta F508).

Canali CFTR

Questi “canali” (o trasportatori?) del Cl- sono stati particolarmente studiati, perché il loro malfunzionamento per errore genetico (ereditario) causa una grave malattia particolarmente diffusa nei Paesi nord-europei: la fibrosi cistica o mucoviscidosi.La sigla sta per “Cystic Fibrosis Transmembrane (conductance) Regulator”, il nome che è stato dato alla proteina associata alla malattia.

CFTR è una grossa molecola proteica (ca. 1500 aa.) con due domini transmembranari(Membrane Sub Domain) (MSD1 e MSD2), ognuno dei quali à costituito da 6 STM (M1..M6, M7..M12).

Ognuno dei due MSD è seguito da un dominio intracellulare predisposto per legare l’ATP: (Nucleotid Binding Domain) NBD1 e NBD2. Questi contengono una particolare sequenza “ABC”: ATP Binding Cassette). Inoltre, nell’ansa intracellulare centrale della molecola, è presente un dominio regolatore (R) che contiene punti di fosforilazione.

CFTR è un canale ionico attivato per via fosforilativa (dalla PKA, AMPc-dipendente).Nello stato defosforilato il canale è chiuso;

quando uno solo dei NBDs è fosforilato, il canale attraverserebbe periodi di apertura brevi, e periodi di apertura lunghi quanto tutti e due i NBDs sono fosforilati.

La forma più comune di Fibrosi Cistica (70% dei casi) è dovuta alla delezione di una Phe in posizione 508 (all’interno di NBD1). La fibrosi cistica ha esito molto spesso fatale nei primi mesi di vita. Consiste in

un’aumentata viscosità di tutti i secreti esocrini, che diventano poveri di acqua (e ricchi di Cl-); ciò ostacola il normale flusso dei secreti nei dotti ghiandolari, facilitando anche l’insorgenza di infezioni.Particolarmente gravi sono gli effetti sulla secrezione mucosa delle vie respiratorie

(compromissione della ventilazione alveolare) e sulla secrezione esocrina del pancreas (compromissione della digestione, quindi dell’assorbimento, dei grassi e delle proteine).La diagnosi precoce si può fare misurando la concentrazione del Cl- nel sudore del

neonato.scaricato da www.sunhope.it

N

C

dominio-R

est

int

ATPATP

protein kinasi AcAMP-dipendente

CFTR è un canale al Cl- attivato dalla fosforilazione e dall’idrolisi dell’ATP

N

C

Cl- est

int

-O

OP

OO

-O

OP

OO-O

OP

OO

O-

OP

OOO-

OP

OO

dominio-R

ADP ADP

CFTR è un canale al Cl- attivato dalla fosforilazione e dall’idrolisi dell’ATP

Na+ Na+ 1. I canali al Na+ degliepiteli sono di solitoaperti, ma un intensoflusso di Na+ richiede un controione.

Cl-

2. Se il CFTR è aperto, ilCl- diventa il controione. Quindi NaCl fluisceattraverso la membrananel lume.

Cl-

4. Risultato: unasoluzione isotonica di NaCl fluisce dal sangueal lume* (o vice-versa)

3. l’acqua quindi fluisceattraverso le cellule per mantenere la pressioneosmotica costante.

acqua

La superfice “basale” (rivoltaverso il sangue) è normalmentemolto permeabile agli ioni

superfice“apicale”

4. CFTR aiuta a controllare il flusso di acqua attraverso gli epiteli- particolarmente importante è questo processo a livello degli epiteli polmonari -

lume

* nel caso degli epiteli polmonari ciò diluisce il muco favorendo gli scambi respiratori

La mutazione più comune (70% dei mutanti):una delezione di un singolo codon (3-nt) in posizione 508

nella ATP-binding cassette #1.Una fenilalanina è deleta.

N

Cdominio-R

Cl- est

int

5. Cosa c’è di sbagliato nel ΔF508?

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CFTR-DF508

WT CFTR

CFTR-ΔF508 normalmente non raggiunge la membrana plasmatica;

CFTR-ΔF508

Forma e funzione

Stretta correlazione fra forma e funzione delle proteine

È la conformazione tridimensionale che conferisce alla proteina l'attività biologica

specifica

PROTEINE

La struttura delle proteine ne determina la funzione

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

•• NellNell’’organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo 20 organismo umano ne sono presenti centinaia ma solo 20 che compongono le proteine ..

•• Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti Per la sintesi di una proteina devono essere presenti tutti contemporaneamentecontemporaneamente

• 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

Le proteine costituiscono il 40-70% del peso secco di una cellula

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

per il gruppo R

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FORMAZIONE DEL LEGAME PEPTIDICO Gli amminoacidi possono unirsi tra loro con legami peptidici

Il ripetersi di questa reazione dà luogo a polipeptidi e proteine.

Estremità amminica

Formazione del legame peptidico:Planare, ha una forza intermedia tra il legame semplice ed il

legame doppio.

C CNH

H

H

O

OH

R

C CNH

H

H

O

OH

R

+

CC

N

H

HH

O

RN

C C

H

O

OH

R

H

I legami peptidici uniscono gli amino acidi in catene lineari

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Delocalizzazione degli e-

Le parziali caratteristiche di doppio legame impediscono la libera rotazione attorno al legame peptidico, C-N, che costituisce così un

punto di rigidità della catena polipeptidica

LEGAME PEPTIDICO: C – N = 0.1325 nm

C – N = 0.145 nmC = N = 0.125 nm

• Ogni piano delle unità peptidiche ha due rotazioni possibili: una intorno al legame Cα-C' (angolo di rotazione Ψ, psi), ed una intorno al legame N-Cα(angolo di rotazione φ, phi).

• La configurazione preferenziale del gruppo peptidico è quella in cui i due Cα sono in posizione trans, in modo che i gruppi R consecutivi sono alla massima distanza l'uno dall'altro (minor ingombro sterico).

Legame peptidico

C carbonilico

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• Un'ulteriore conseguenza della risonanza che interessa il legame peptidico è che gli atomi che compongono il cosiddetto gruppo peptidico (i due atomi, C ed N, del legame stesso e i 4 atomi ad essi legati: O, H e i due carboni α) giacciono tutti su uno stesso piano (legame rigido e planare).

• Lo scheletro di una catena polipeptidica può essere rappresentato come una serie di piani rigidi

N-Carbonio α (Φ) (psi); Carbonio α – Carbonio Carbonilico (ψ) (fi)

Il legame peptidico è rigido e planare

φ e ψ sono di 180° quando il polipeptide è nella conformazione complanare estesa e tutti i gruppi peptidici sono sullo stesso piano.

φ e ψ possono assumere tutti i valori compresi tra -180° e +180°, ma molti valori risultano proibiti per interferenze steriche tra gli atomi dello scheletro del polipeptide e quelli delle catene laterali.

Il legame peptidico è rigido e planare

Gli atomi di Cα di amminoacidi adiacenti sono separati da tre legami covalenti:

Cα – C – N – Cα

PROPRIETA’ DEL LEGAME PEPTIDICO� I 6 atomi del gruppo peptidico giacciono sullo stesso piano →l’ossigeno legato al carbonio del gruppo carbonilico e l’atomo di idrogeno legato all’azoto amminico, si trovano in trans.� L’ossigeno carbonilico ha una parziale carica negativa e l’azoto amminico ha una parziale carica positiva → ciò genera un parziale dipolo elettrico.� I legami ammidici C-N hanno un parziale carattere di doppio legame per effetto della risonanza→ non possono ruotare liberamente.� La rotazione è permessa solo attorno ai legami N-Cα e Cα-C.

Cα C carbonilico

N ammidico

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Caratteristiche del legame peptidico• Ha il carattere di un doppio legame parziale (è più corto

di un legame singolo).• E’ rigido e planare (non è possibile la rotazione attorno

al legame tra il carbonio carbonilico e l’azoto del legame peptidico).

• In genere è un legame di tipo trans, a causa di interferenze steriche tra i gruppi -R (i legami tra un Cαe un gruppo α-amminico o α-carbossilico possono ruotare!)

• I gruppi -C=O ed -NH del legame peptidico non hanno una carica elettrica (a differenza del gruppo α-amminico all’estremità N-terminale ed α-carbossilico al C-terminale) ma sono polari e partecipano alla formazione di legami a idrogeno.

Denominazione dei peptidi• L’unione di più amminoacidi mediante legami

peptidici produce una catena denominata polipeptide.

• Per convenzione, l’estremità amminica libera della catena peptidica (estremità N) si scrive a sinistra mentre quella carbossilica libera (estremità C) si scrive a destra.

• Le sequenze di amminoacidi si leggono sempre dall’estremità N all’estremità C del peptide.

peptidi, polipeptidi e proteinegli aminoacici sono uniti tra loro da legami peptidici

# aminoacidipeptide (oligopeptide) <20polipeptide <60 proteina >60

energia di legame100 Kcal/mol

• non vengono rotti con l’ebollizione, ma solo con l’azione prolungata di acidi o basi concentrate

• gli enzimi proteolitici sono deputati all’idrolisi di questi legaminelle cellulee durante la digestione.

esistono sequenze lunghe da pochi aminoacidi a migliaia di aminoacidi con peso molecolare da 5 a 1000 KDalton (1 Dalton = 1/12 massa 12C)

• I singoli amminoacidi in una catena peptidica sono chiamati residui amminoacidici.

• In genere le proteine sono composte da 50-2000 residui amminoacidi.

• La struttura primaria di una proteina èdefinita dalla sequenza lineare dei residui amminoacidici.

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proteine: struttura primaria

• riguarda la sequenza “lineare” degli aminoacidi• struttura covalente (legami peptidici)

.Sequenza di 2: 20 x 20 = 202 = 400 dipeptidi diversi

.Sequenza di 3: 20 x 20 x 20 = 203 = 8000 tripeptidi diversi

.Sequenza di 100: 20100 = 1.27x10130 peptidi diversi

Di tutte queste possibili forme, l’evoluzione ha scelto solo alcune, che rappresentano il risultato di una precisa selezione mirata ad ottimizzare lafunzione della proteina

La Struttura PrimariaLa Struttura Primaria•• ÈÈ lo scheletro della lo scheletro della

proteina,proteina,•• si ripetono un si ripetono un

atomo di azoto con atomo di azoto con due di carbonio,due di carbonio,

•• la semplice la semplice sequenza sequenza amminoacidica amminoacidica costituisce la costituisce la struttura base struttura base della proteina.della proteina.

La Struttura PrimariaLa Struttura Primaria•• La struttura primaria La struttura primaria

di una proteina di una proteina èè una una lunga sequenza di lunga sequenza di amminoacidi legati amminoacidi legati per mezzo del legame per mezzo del legame peptidico: il gruppo peptidico: il gruppo carbossilico di un carbossilico di un amminoacido si lega amminoacido si lega al gruppo amminico di al gruppo amminico di quello adiacente con quello adiacente con la liberazione di una la liberazione di una molecola d'acqua.molecola d'acqua. Reazione di

condensazione

La Struttura PrimariaLa Struttura Primaria•• Dalla proteina possiamo Dalla proteina possiamo

predirepredire lala struttura a struttura a seconda:seconda:

•• del tipo di amminoacidi del tipo di amminoacidi presenti,presenti,

•• dalla quantitdalla quantitàà di di amminoacidi presenti,amminoacidi presenti,

•• della sequenza della sequenza amminoacidica (ossia amminoacidica (ossia da come gli da come gli amminoacidi si amminoacidi si susseguono).susseguono).Sequenza primaria di

amminoacidi differenti. scaricato da www.sunhope.it

Struttura primaria• La sequenza degli aminoacidi di una proteina si

chiama struttura primaria.• Nelle proteine, gli amminoacidi sono uniti

covalentemente con legami peptidici.• I legami peptidici sono legami ammidici tra il

gruppo α- carbossilico (-COOH) di un amminoacido ed il gruppo α-amminico (-NH2)dell’amminoacido successivo.

• Durante la formazione del legame peptidico viene eliminata una molecola di acqua (reazione di condensazione).

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