Le proteine

Le proteine sono macromolecole che presentano

differenze funzionali e strutturali

LE PROTEINE HANNO FUNZIONI LE PROTEINE HANNO FUNZIONI

BIOLOGICHE DIVERSEBIOLOGICHE DIVERSE

�� enzimi

�� proteine di trasportoproteine di trasporto

�� proteine di riservaproteine di riserva

�� proteine contrattiliproteine contrattili

�� proteine di difesaproteine di difesa

�� proteine regolatriciproteine regolatrici

�� proteine strutturaliproteine strutturali

CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINEin base alla funzione biologica che svolgono

Esempi

Enzimi Ribonucleasi,catalisi

Insulina, tirotropina

Emoglobina, albumina sierica

Ovoalbumina, ferritina

Actina, miosina

Collagene, fibroina

Anticorpi

Proteina antigelo, resilina

Classe funzionale

Proteine di regolazione

Proteine di trasporto

Proteine di riserva

Proteine deputate alla mobilità ed alla contrattilità

Proteine strutturali

Proteine con funzioni di difesa

Proteine particolari

CLASSIFICAZIONE DELLE PROTEINE CONIUGATE

in base alla natura chimica della componente

non - amminoacidica

•• Ogni organismo contiene migliaia di Ogni organismo contiene migliaia di proteine proteine

diverse, ognuna con una specifica funzionediverse, ognuna con una specifica funzione

•• Gli Gli aminoacidi aminoacidi rappresentano gli elementi rappresentano gli elementi

costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi costitutivi delle proteine; di tutti gli aminoacidi

esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle esistenti in natura solo 20 sono presenti nelle

proteine, in quanto espressi dal codice geneticoproteine, in quanto espressi dal codice genetico

Gli aminoacidiGli aminoacidi

tutti gli aminoacidi presentano un gruppo amminico,

un gruppo carbossilico ed una catena laterale R

variabile nei diversi aminoacidi

Forma non ionica In soluzione a pH neutro

sono in genere ioni dipolari

(o anfoioni)

Gruppi R alifatici, non polariGruppi R alifatici, non polari

NH2

O

CH3

OH

NH2

O

H

OH

NH2

O

CH3

CH3

OH

H

NH2

O

CH3

CH3

OHNH2

O

CH3

CH3

OHNH

O

OH

Glicina (gly) Alanina

(ala)

* Valina

(val)

* Leucina

(leu)

* isoleucina

(ile)

Prolina

(pro)

Gruppi R aromaticiGruppi R aromatici

NH2

O

OH

NH2

O

OH

OH

NH2

O

NH

OH

* Fenilalanina

(phe)

Tirosina (tyr) * Triptofano

(trp)

Gruppi R polari, non carichiGruppi R polari, non carichi

NH2

O

OH

OHNH2

O

OHCH3

OHNH2

O

SH

OH

NH2

O

SCH

3

OHNH2

O

O

NH2

OHNH2

O

NH2

O

OH

Serina (ser) * Treonina (thr) Cisteina (cys)

* Metionina

(met)

Asparagina

(asn)

Glutammina

(gln)

Gruppi R carichi positivamenteGruppi R carichi positivamente

NH2

ONH3+

OH

NH2

ON

NH+

NH2

OHNH

2

O

NH

OHN+

H

* Lisina (lys) *Istidina (hys) Arginina (arg)

Gruppi R carichi negativamenteGruppi R carichi negativamente

NH2

O

O

O

OH

NH2

O

O

O

OH

Glutammato (glu)Aspartato (asp)

Come tutte le molecole polimeriche, le Come tutte le molecole polimeriche, le

proteine possono essere descritte in termini di proteine possono essere descritte in termini di

livelli di organizzazione molecolare livelli di organizzazione molecolare ::

•• struttura primariastruttura primaria

•• struttura secondariastruttura secondaria

•• struturastrutura terziaria terziaria

•• struttura quaternariastruttura quaternaria

La sequenza degli AA costituisce la La sequenza degli AA costituisce la struttura Istruttura Ia a delle delle

proteineproteine

La La struttura primariastruttura primaria di una proteina di una proteina èè la sequenza la sequenza

aminoacidicaaminoacidica della sua o delle sue catene della sua o delle sue catene

polipeptidichepolipeptidiche, se la proteina , se la proteina èè costituita da picostituita da piùù di un di un

polipeptide; ogni residuo polipeptide; ogni residuo èè unito a quello vicino da unito a quello vicino da

un un legame peptidicolegame peptidico.

Le proteine sono Le proteine sono sintetizzate in vivosintetizzate in vivo legando legando

mediante condensazione uno dopo lmediante condensazione uno dopo l’’altro i vari altro i vari

aminoacidi in un ordine specificato dalla aminoacidi in un ordine specificato dalla sequenza sequenza

nucleotidica di un gene.nucleotidica di un gene.

Le possibilità teoriche di un

polipeptide sono illimitate

Avendo a disposizione 20 scelte diverse per ogni

residuo aminoacidico di una catena polipeptidica,

si può immediatamente vedere che è possibile

ottenere un numero praticamente infinito di

proteine diverse.

Chiaramente l’evoluzione ha prodotto soltanto un

piccolissimo numero di queste proteine

teoricamente possibili.

Le proteine reali hanno limiti alla dimensioni e

alla composizione

. In genere le proteine contengono almeno 40 residui; i polipeptidIn genere le proteine contengono almeno 40 residui; i polipeptidi i

pipiùù piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi.piccoli di questa dimensione sono detti semplicemente peptidi.

•• Il polipeptide con le dimensioni piIl polipeptide con le dimensioni piùù grandi fino ad ora studiato grandi fino ad ora studiato èè

la la TITINATITINA, una proteina gigantesca contenente 26926 residui , una proteina gigantesca contenente 26926 residui

(2990 (2990 kDakDa) che partecipa all) che partecipa all’’organizzazione delle strutture organizzazione delle strutture

ripetitive della fibra muscolare. ripetitive della fibra muscolare.

•• Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da Ad ogni modo la grande maggioranza dei polipeptidi contiene da

100 a 1000 residui100 a 1000 residui

L’organizzazione degli atomi in una proteina viene

detta conformazione

Le proteine che si trovano nella conformazione più stabile

(minore energia libera di Gibbs, ∆∆∆∆G) sono dette “proteine

native”

I peptidi presentano regioni, che conferiscono

rigidità alla struttura, altre che invece

permettono variazioni conformazionali

(mediante libera rotaz. intorno ai legami)

Il gruppo polipeptidico è una struttura rigida e planare,

come conseguenza delle interazioni di risonanza che

forniscono al legame peptidico circa il 40% di carattere

di doppio legame

O

C

N

H

O-

C

N

H

+

Lo scheletro o la catena principale di una proteina non

è altro che una successione degli atomi che fanno parte

dei legami peptidici della catena polipeptidica.

Le catene Le catene peptidichepeptidiche non possono assumere strutture 3D non possono assumere strutture 3D

casualicasuali

LL’’insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio insieme di organizzazioni regolari e ricorrenti nello spazio

definiscono la definiscono la struttura IIstruttura II delle proteinedelle proteine

Nelle proteine sono presenti diversi tipi di Nelle proteine sono presenti diversi tipi di strutt.IIstrutt.II, i pi, i piùù

rilevanti sonorilevanti sono ll’’αααααααα--elica e la strutturaelica e la struttura ββββββββ--sheetsheet

αααα-elica ββββ-sheet

• Sia ll’’αααααααα--elica sia il foglietto elica sia il foglietto ββββββββ,, sono dette strutture secondarie strutture secondarie

regolari,regolari, in quanto sono composte da residui con valori degli

angoli ΦΦΦΦ e Ψ Ψ Ψ Ψ che si ripetono....

L’αααα-elica è destrorsa.

Possiede 3,6 residui per giro e un passo di 5,4 A°.

Le α-eliche presenti nelle proteine impegnano in media

circa 12 residui, che formano più di 3 giri di elica e

corrispondono ad una lunghezza di circa 18 A°.

Questa disposizione porta alla formazione di legami

idrogeno molto forti, in quanto, l’atomo di idrogeno

legato all’azoto e l’atomo di ossigeno legato al carbonio

si trovano alla distanza ottimale di 2,8 A°.

Come l’αααα-elica il foglietto ββββ utilizza tutta la capacità di formare

legami idrogeno dello scheletro del polipeptide. Nel foglietto ββββ i

legami ad idrogeno si formano tra catene affiancate invece che

tra residui della stessa catena, come nel caso dell’αααα-elica.

Si possono avere due tipi di foglietti:

Il foglietto ββββ antiparallello in cui le catene vicine che formano

legame idrogeno corrono in direzione opposte.

Il foglietto ββββ parallelo in cui le catene unite da legame idrogeno

corrono invece nella stessa direzione.

Foglietto β

Un livello ancora più alto di struttura è rappresentato dal dominio

Il dominio rappresenta una regione compatta, comprendente 40-400

aminoacidi, che può essere considerata come un’unità strutturale

distinta di una catena polipeptidica

La diffrazione ai raggi X ha permesso di individuare livelli di

organizzazione strutturale superiori alla struttura II delle

proteine

La La struttura IIIstruttura III si riferisce alla relazione si riferisce alla relazione

spaziale tra tutti gli spaziale tra tutti gli aaaa di una catena di una catena

polipeptidicapolipeptidica

In una struttura III possono In una struttura III possono

trovarsi pitrovarsi piùù strutture IIstrutture II

Tra i residui superficiali si stabiliscono legami elettrostatici

• I legami salini (elettrostatici) uniscono due o più residui i

cui gruppi R abbiano carica opposta, ma si stabiliscono

anche tra i gruppi ionizzati in posizione αααα dei residui

amminici e carbossi terminali.

• I ponti disolfuro conferiscono ulteriore stabilità. Questi si

stabiliscono tra i residui di cisteina appartenenti alla stessa

catena polipeptidica oppure a catene diverse.

• Le interazioni idrofobiche uniscono i residui

posti all’interno di una proteina, infatti le

catene apolari degli aminoacidi si associano

all’interno delle proteine globulari.

• Le interazioni idrofobiche anche se

individualmente molto deboli sono presenti in

numero talmente elevato da contribuire in

maniera fondamentale alla stabilizzazione della

struttura della proteina.

Le proteine perdono la loro Le proteine perdono la loro struttura nativa in seguito a in seguito a

denaturazionedenaturazione

La denaturazione avviene per azione La denaturazione avviene per azione

• calore

• pH estremi

• solventi (acetone, alcol)

• soluti (urea, detergenti)

I meccanismi molecolari della denaturazione I meccanismi molecolari della denaturazione

comprendono: comprendono:

riduzione dei legami Sriduzione dei legami S--S, interferenza sulla carica netta S, interferenza sulla carica netta

(repulsione, e rottura dei legami ad H) interazioni (repulsione, e rottura dei legami ad H) interazioni

idrofobicheidrofobiche

Perdita della forma nativa per riduzione

dei ponti disolfuro

Un ulteriore livello è la struttura IVstruttura IV, che si riferisce alle relazioni

spaziali tra più polipeptidi o alle sub-unità interne di una

proteina

Motivi proteici

Motivo βαββαββαββαβ Ripiegamento a forcina Motivo αααααααα

Motivi a barile barile αααα-ββββ

Motivo a dito di zinco

PROTEINE GLOBULARI

Sono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acquaSono proteine di forma sferoidale generalmente solubili in acqua e e

caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una caratterizzate da una struttura terziaria e talvolta da una

struttura quaternaria. struttura quaternaria.

Sono biologicamente attiveSono biologicamente attive (es. enzimi ed immunoglobuline) e (es. enzimi ed immunoglobuline) e

costituiscono la picostituiscono la piùù gran parte delle proteine cellulari.gran parte delle proteine cellulari.

La tradizionale classificazione delle proteine globulari è basata

sulle caratteristiche chimico-fisiche.

ProtamineProtamine.. Sono proteine basiche, presenti nello sperma di Sono proteine basiche, presenti nello sperma di

alcune specie di pescialcune specie di pesci

Istoni.. Sono proteine basiche di basso PM (11.000Sono proteine basiche di basso PM (11.000--20.000) 20.000)

associate con il DNA nei nuclei cellulari.associate con il DNA nei nuclei cellulari.

Prolamine e gluteline.. Sono proteine vegetali ricche di prolina e Sono proteine vegetali ricche di prolina e

di acido glutammico fra esse: di acido glutammico fra esse:

la la zeinazeina del maisdel mais

la la gliadinagliadina del frumento del frumento

l'ordina l'ordina dell'orzodell'orzo

Albumine. Sono proteine acidiche (pH - 5) con PM fra

50.000 e 60.000, ben solubili in acqua e coagulabili al

calore. Fra le albumine animali si ricordino quella del

siero ematico e quelle dell'uovo e del latte.

Globuline. Sono in realtà delle glicoproteine, hanno PM

intorno ai 150.000, sono solubili in acqua. Le globuline

più note sono quelle del sangue

PROTEINE FIBROSEPROTEINE FIBROSE

Come tipici esempi di proteine fibrose vengono qui considerate

le due principali proteine del tessuto connettivo il collagenecollagene e l'

elastina.elastina.

• Collagene ed elastina coesistono in proporzioni diverse nelle

strutture connettivali: nei tendini, ad esempio, prevale

largamente il collagene, per contro i legamenti sono ricchi di

elastina.

•Le fibre di collagene sono particolarmente resistenti alla

tensione e quelle di elastina sono invece dotate di una certa

elasticità, la prevalenza delle une o delle altre riflette il tipo di

funzione meccanica della particolare struttura connettivale.

CollageneCollagene

• Il collagene, la più abbondante proteina dell' organismo (il 30%

circa, di tutte le proteine) costituisce l'intelaiatura extracellulare di

tutti gli esseri pluricellulari.

• E’ presente in percentuale varia in tutti i tessuti animali ed in

misura dominante nei tessuti di sostegno (tendini, legamenti, fasce,

cartilagine, ossa e denti).

• Il collagene viene sintetizzato daiviene sintetizzato dai fibroblasti del tessuto connettivodel tessuto connettivo, ,

daglidagli osteoblasti dell'osso, daidell'osso, dai condroblasti della cartilagine e daglidella cartilagine e dagli

odontoblasti dei denti.dei denti.

•• L'unitL'unitàà fondamentale del collagene fondamentale del collagene èè ilil tropocollagene, struttura a

tripla elica allungata.

ElastinaElastina

La ElastinaLa Elastina, di spiccate proprietà elastiche, èè

la proteina fibrosa predominantela proteina fibrosa predominante nei

legamenti e nelle pareti vasali arteriose, alle

quali impartisce le note caratteristiche di

elasticità.

Proteine plasmaticheProteine plasmatiche

Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine Tra i componenti solubili del plasma ematico le proteine

sono le sostanze pisono le sostanze piùù rappresentate. La loro concentrazione rappresentate. La loro concentrazione

va da 60 va da 60 –– 80 mg/l, circa il 4% di tutte le proteine 80 mg/l, circa il 4% di tutte le proteine

corporee.corporee.

Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono Nel plasma esistono quasi 100 proteine diverse che possono

essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento essere distinte in 5 gruppi in base al loro comportamento

in elettroforesi:in elettroforesi:

� albumine

� αααα -1 globuline

� αααα -2 globuline

� ββββ - globuline

� γγγγ - globuline

la proteina pila proteina piùù rappresentata rappresentata èè ll’’albuminaalbumina che dche dàà un un

contributo essenziale al mantenimento della contributo essenziale al mantenimento della

pressione osmotica del sangue; agisce inoltre come pressione osmotica del sangue; agisce inoltre come

proteina trasportatrice per sostanze proteina trasportatrice per sostanze lipofilichelipofiliche (acidi (acidi

grassi liberi, bilirubina, alcuni ormoni steroidei e grassi liberi, bilirubina, alcuni ormoni steroidei e

vitamine)vitamine)

lele globulineglobuline partecipano al trasporto dei lipidi, ioni partecipano al trasporto dei lipidi, ioni

metallici, vitamine, sono una componente metallici, vitamine, sono una componente

importante del sistema di coagulazione e forniscono importante del sistema di coagulazione e forniscono

gli anticorpi del sistema immunitariogli anticorpi del sistema immunitario

LL’’elettroforesi permette la separazione delle elettroforesi permette la separazione delle

proteine plasmatiche, la loro proteine plasmatiche, la loro

caratterizzazione e quantificazionecaratterizzazione e quantificazione

la maggior parte delle proteine plasmatiche la maggior parte delle proteine plasmatiche

viene sintetizzata nel fegato (fanno viene sintetizzata nel fegato (fanno

eccezione eccezione le immunoglobulinele immunoglobuline prodotte dai prodotte dai

linfociti T)linfociti T)

sono tutte sono tutte glicoproteineglicoproteine,, ad eccezione ad eccezione

delldell’’albuminaalbumina

150, 162, 900,

172, 196

IgG, IgA, IgM, IgD, IgEγ γ γ γ γ γ γ γ globulineglobuline

2000-5000

80

LDL

Transferrina

β β β β β β β β globulineglobuline

58

350

52

Antitrombina III

Colinesterasi

Proteina legante Vit D

αααααααα--2 globuline2 globuline

51

58-61

200-400

51

Antitripsina

Antichimotripsina

HDL

Transcortina

αααααααα--1 globuline1 globuline

50-66

67

Transtirenina,

Albumina

albumine:albumine:

TipoTipo esempioesempio MrMr KDaKDa

Elevati valori delle immunoglobulineElevati valori delle immunoglobuline

• Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni Si riscontrano nel sangue dei pazienti affetti da infezioni

croniche, o da epatopatie, o da altre forme morbose croniche, croniche, o da epatopatie, o da altre forme morbose croniche,

quali lquali l’’artrite reumatoide. artrite reumatoide.

•• Ogni infezione induce lOgni infezione induce l’’aumento di una determinata aumento di una determinata

immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione immunoglobulina, questo può fornire una utile indicazione

per la diagnosi.per la diagnosi.

• Una particolare intensa produzione di

immunoglobuline, o delle loro catene leggere o pesanti

separate, si ha nel mieloma multiplo o plasmacitoma,

una neoplasia plasmacellulare del midollo osseo che

porta alla progressiva distruzione delle ossa.

• La concomitante disfunzione del midollo osseo è

responsabile dello stato anemico che si ha in

questa malattia e della insufficiente produzione di

anticorpi normali che rende i pazienti

particolarmente sensibili alle infezioni.

Le sostanze che evocano la risposta immune sono gli antigeni

e gli anticorpi sono le immunoglobuline che ne vengono

evocate e che vi si legano.

Un anticorpo si lega ad un sito sulla superficie di un antigene

denominato epitope o determinante antigenico.

Gli epitopi possono essere, segmenti di una catena

polipeptidica, oppure sequenze glucidiche.

Gli antigeni formano con gli anticorpi corrispondenti, dei

complessi non covalenti “ antigene-anticorpo”, più facilmente

eliminabili degli antigeni stessi da parte dei fagociti

Schema semplificato di una immunoglobulina (IgG), costituita da due catene pesanti connesse da ponti di solfuro e da due catene leggere. Le porzioni tratteggiate delle catene, che hanno una composizione di amino acidi variabili, costituiscono il sito di legame con l’antigene.

Organizzazione strutturale delle IgM e delle IgA.

Si noti la frequenza di ponti disolfuro intercatena e la presenza sia nelle IgM sia nelle IgA della catena di interconnessione J.