Le molecole biologicheLe proteine

Le proteine sono macromolecole che costituiscono la

maggior parte delle strutture cellulari ed extra-cellulari

Così come nel caso di lipidi e carboidrati, anch’esse sono

formate dalla polimerizzazione di molecole più semplici

Le proteine sono caratterizzate da una grande

complessità strutturale, che da vita ad una moltitudine di

funzioni.

In base a queste funzioni, le proteine vengono

generalmente classificate

• Proteine strutturali

• Gli enzimi

• Proteine di membrana

• Fattori di trascrizione

• Etc…

Le proteine sono polimeri lineari di piccole molecole, chiamate amminoacidi,

legate fra loro da un legame chimico detto legame peptidico

Gli amminoacidi uniti fra loro da tale legame formano la catena polipeptidica,

che diviene proteina solo quando la sua struttura tridimensionale è stabile e

funzionale (un muro NON è una casa!)

Tutte le proteine sono formate dalla diversa combinazione di soli 20amminoacidi

Gli amminoacidi

Molecole anfotere

Gruppo acido -

Carbossile

Gruppo basico – gruppo

amminico

Carbonio alpha

Ha le sue 4 valenze

legate a 4 atomi/gruppi

di atomi differenti, ciò le

rende asimmetrico e

porta alla formazione di

due isomeri ottici il D ed L

Parte variabile, catena laterale, residuo,

radicale, gruppo R

Il gruppo R differenzia gli amminoacidi e

concede loro le proprietà fisico-chimiche

Spiccata idrofobia, proteine membrana

Proteine del nucleo

Istoni, legati al DNA

Spiccata idrofilia

Alcuni amminoacidi oltre a fungere da precursori delle proteine, sono anche

precursori di alcuni fra i più importanti neurotrasmettitori o sono neurotrasmettitori

loro stessi

In particolare:

Serotonina Dopamina

Noradrenalina

Adrenalina GABA

Il legame peptidico è un legame covalente, molto resistente che si origina fra il

gruppo amminico di un amminoacido ed il gruppo carbossilico

dell’amminoacido che lo precede, con l’eliminazione di una molecola

d’acqua.

Nel legame peptidico C-N sono molto più vicini che in una qualsiasi altra

tipologia di legame C-N, ciò rende il legame molto robusto e gli concede un

carattere parziale di doppio legame, eliminando funzioni rotazionali.

Tuttavia un legame così stabile può creare problemi per l’assorbimento dei

singoli amminoacidi, per tale ragione gli organismi sono dotati di proteasi come

la pepsina e la tripsina (proteine enzimatiche) che tagliano il legame peptidico

alle normali condizioni di temperatura

Il legame peptidico

Il legame peptidico forma i polipeptidi

Terminale amminico

INIZIO

Terminale

carbossilico

FINE

Il risultato sarà una lunga catena flessibile il cui scheletro assile è composto

dalla successione di atomi N-C-C-N-C-C-N…etc…

Lo scheletro assile è a sua volta coperto dai vari gruppi R di ogni amminoacido

che sporgono più o meno a seconda della loro lunghezza e che concedono alla catena le sue proprietà fisico-chimiche

La sequenza degli amminoacidi che compone una catena

polipeptidica è definita come la struttura primaria della proteina.

Le strutture secondarie: alpha-eliche

Anche se i legami peptidici sono non-rotazionali, tutti gli altri legami presenti nello scheletro assile, lo sono. Ciò consente

alla catena di piegarsi in questi punti sotto la spinta

dell’agitazione termica.

Questo porta alla formazione di una configurazione simile ad

un’elica bloccata da legami idrogeno che si instaurano fra

gli H-N e gli O-C liberi di ogni amminoacido.

Questi legami avvengono con una certa regolarità, i.e. ogni 4 amminoacidi.

Tale conformazione a cilindro, prende il nome di alpha-elica

ed è rivestita dai vari R di ogni amminoacido, in particolare ogni giro è coperto da 3,6 R

Le strutture secondarie: i foglietti beta-planari

In modo del tutto

analogo i legami

idrogeno possono anche

legare fra loro due

bracci della stessa

catena, o due catane

appaiate e parallele,

dando alla struttura una

forma laminare

Denominata

Foglietti Beta-planari

I bracci che formano i foglietti possono avere

un andamento parallelo,

anti-parallelo o misto

I «motivi» delle proteineCombinazioni di alpha-eliche

Elica-ansa-elica

Chiusura lampo di

leucine

I «motivi» delle proteineCombinazioni di foglietti-beta

Beta-barile

Beta-sandwich

Le strutture terziarie

Insieme degli avvolgimenti della catena polipeptidica,

stabilizzati dalla formazione

di legami dei gruppi R

E’ stato dimostrato che l’acquisizione delle strutture secondarie e terziarie,

dipendono esclusivamente dalla struttura primaria di una proteina.

La metodologia per giungere a tali conclusioni consiste nella denaturazione di

una proteina nativa (scioglimento di tutti i legami secondari e terziari) e nella

successiva rinaturazione

La struttura quaternaria non è presente in tutte le proteine, ma è tipica delle

proteine multimeriche, cioè costituite da più catene peptidiche o subunità, che

possono essere uguali o diverse fra loro.

Le strutture quaternarie

Un tipico esempio di proteina con struttura quaternaria è l’emoglobina, ovvero la

proteina che si occupa di trasportare ossigeno, contenuta nei nostri globuli rossi.

Essa è costituita da due diversi tipi di catene peptidiche (alpha e beta).

Inoltre ogni catena contiene al suo interno una molecola non-proteica detta gruppo

eme, con un atomo di ferro che è lo specifico legame dell’ossigeno.

La struttura quaternaria rappresenta un importante punto di arrivo del processo

dell’evoluzione molecolare poiché consente un effetto cooperativo fra le diverse unità

Amminoacidi

Catene polipeptidiche, alpha-

eliche e foglietti-beta

«motivi» : proteine = gotico : architettura

Struttura terziaria

Proteina

Le modificazioni post-traduzionaliDopo la sintesi e la completa acquisizione dei livelli strutturali secondario e

terziario, la maggior parte delle proteine va incontro a particolari modifiche

strutturali dette modifcazioni post-traduzionali.

Alcune di queste modificazioni sono permanenti e necessarie affinché la

proteina possa acquisire la conformazione tridimensionale finale e quindi le sue

funzionalità biologiche

Altre modificazioni sono reversibili e svolgono funzioni importanti nel controllo

della proteina stessa.

Le modificazioni post-traduzionaliLe modificazioni permanenti si possono classificare in:

• Tagli proteolitici (eseguiti da enzimi specifici detti proteasi)

• Distruggere proteine difettose

• Eliminare porzioni della catena polipeptidiche non più necessarie (rimuovere porzioni della catena che inizialmente possono essere necessari per il corretto avvolgimento della

proteina, ma che in seguito possono rivelarsi superflui) – L’esempio dell’INSULINA

• Proteggere se stesse dalla attività potenzialmente pericolosa della proteina matura (ad esempio nel caso delle cellule che creano gli enzimi in grado di scindere le proteine assunte

col cibo e che devono proteggersi dagli effetti di proteasi dei loro stessi prodotti) – pro-

enzimi inattivi

• Tagliare una sola macro-catena polipeptidica in vari frammenti, ognuno dei quali

costituisce una proteina avente una sua propria funzione – L’esempio del pro-opiomelano-

cortina (POMC)

• L’aggiunta di porzioni non proteiche• Oligosaccaridi - Glicoproteine

• Lipidi - Lipoproteine

• Gruppo prostetico

• Eliminare porzioni della catena polipeptidiche non più necessarie (rimuovere porzioni della catena che inizialmente possono essere necessari per il corretto avvolgimento della proteina, ma che in seguito

possono rivelarsi superflui) – L’esempio dell’INSULINA

Le modificazioni post-traduzionaliLe modificazioni permanenti si possono classificare in:

• Tagli proteolitici (eseguiti da enzimi specifici detti proteasi)

• Distruggere proteine difettose

• Eliminare porzioni della catena polipeptidiche non più necessarie (rimuovere porzioni della catena che inizialmente possono essere necessari per il corretto avvolgimento della

proteina, ma che in seguito possono rivelarsi superflui) – L’esempio dell’INSULINA

• Proteggere se stesse dalla attività potenzialmente pericolosa della proteina matura (ad esempio nel caso delle cellule che creano gli enzimi in grado di scindere le proteine assunte

col cibo e che devono proteggersi dagli effetti di proteasi dei loro stessi prodotti) – pro-

enzimi inattivi

• Tagliare una sola macro-catena polipeptidica in vari frammenti, ognuno dei quali

costituisce una proteina avente una sua propria funzione – L’esempio del pro-opiomelano-

cortina (POMC)

• L’aggiunta di porzioni non proteiche• Oligosaccaridi - Glicoproteine

• Lipidi - Lipoproteine

• Gruppo prostetico

• Tagliare una sola macro-catena polipeptidica in vari frammenti, ognuno dei quali costituisce una

proteina avente una sua propria funzione – L’esempio del pro-opiomelano-cortina (POMC), prodotto

da molti distretti corporei ma dei quali il più importante è senza dubbio l’ipofisi

Corticotropina, stimola la

produzione dei

corticosteroidi nella

ghiandola surrenale

Regolazione del

comportamento

Grooming nei topi

Ulteriori tagli che producono corte

molecole di 5 amminoacidi dette

encefaline

Oppioidi endogeni

Le modificazioni post-traduzionaliLe modificazioni permanenti si possono classificare in:

• Tagli proteolitici (eseguiti da enzimi specifici detti proteasi)

• Distruggere proteine difettose

• Eliminare porzioni della catena polipeptidiche non più necessarie (rimuovere porzioni della catena che inizialmente possono essere necessari per il corretto avvolgimento della

proteina, ma che in seguito possono rivelarsi superflui) – L’esempio dell’INSULINA

• Proteggere se stesse dalla attività potenzialmente pericolosa della proteina matura (ad esempio nel caso delle cellule che creano gli enzimi in grado di scindere le proteine assunte

col cibo e che devono proteggersi dagli effetti di proteasi dei loro stessi prodotti) – pro-

enzimi inattivi

• Tagliare una sola macro-catena polipeptidica in vari frammenti, ognuno dei quali

costituisce una proteina avente una sua propria funzione – L’esempio del pro-opiomelano-

cortina (POMC)

• L’aggiunta di porzioni non proteiche• Oligosaccaridi - Glicoproteine

• Lipidi - Lipoproteine

• Gruppo prostetico – gruppo eme

Le modificazioni post-traduzionali

Le modificazioni reversibili constano nei processi di fosforilazione e de-

fosforilazione, aggiunta o rimozione di un gruppo fosfato al gruppo R di uno o più

amminoacidi alcolici (serina, treonina e tirosina)

Proteinchinasi

I complessi sopramolecolari

Spesso accade che le proteine non svolgono le loro funzioni singolarmente ma in unione

con altre proteine uguali o diverse.

L’insieme di queste proteine formano i complessi sopramolecolari.

Questi sono riconoscibili per la presenza di numerosi «motivi» e sono tenute insieme da

interazioni deboli o legami covalenti.

Ogni proteina di un complesso sopramolecolare, viene definita sub-unità.

Ciascuna sub-unità può svolgere compiti diversi.

Vedere Fig. 2.35