Proteine e funzioni cellulari

• Le proteine sono le "macchine" che svolgono le funzioni biologiche.
• Ogni proteina è codificata da un gene, che tramite l'RNA, porta alla sequenza lineare della proteina stessa con 20 amminoacidi.
• La sequenza lineare non è sufficiente per la funzione biologica; serve la conformazione finale.
• H3 Le Proteine
• Macromolecole versatili con funzioni differenti.
• Ad una proteina corrisponde una sequenza, una struttura tridimensionale e una funzione biologica.
• La funzione può essere più o meno specifica, come gli enzimi che catalizzano reazioni diverse con substrati diversi, o enzimi specifici per un'unica proteina.
• H3 Funzioni delle proteine
• Trasporto di molecole: es. l'emoglobina distribuisce l'O2 alle cellule per la respirazione aerobica, producendo 10 volte più energia.
• Catalisi di reazioni enzimatiche: es. digestione alimenti.
• Lavoro meccanico: es. la contrazione muscolare, che converte l'energia dell'ATP in energia meccanica.
• Trasmissione di impulsi nervosi: es. canali ionici per impulsi elettrici.
• Regolazione delle funzioni del DNA: es. replicazione o trascrizione di un gene.
• Traffico di molecole, organelli, endosomi... è regolato dalle proteine.
• Movimento della cellula: es. cellule del sistema immunitario per difenderci.
• H3 Struttura delle proteine
• La sequenza lineare degli amminoacidi è essenziale, ma non sufficiente alla funzione.
• La reattività dei gruppi funzionali nella struttura lineare è importante per l'azione degli enzimi.
• Ciò comporta la possibilità di modificare le catene laterali di particolari residui amminoacidici dentro la catena polipeptidica.
• H3 Complessi molecolari
• Un complesso molecolare è una sequenza di amminoacidi collegata tra un ammino-terminale e un C-terminale.
• Una catena polipeptidica spesso necessita di associarsi ad altre catene polipeptidiche uguali o diverse, oppure ad un acido nucleico.
• Il termine complesso molecolare indica un'associazione non-covalente mediata da interazioni deboli tra diverse unità di macromolecole.
• H3 Stabilità
• I complessi stabili resistono uniti fino alla distruzione, mentre altri si formano e si disfano a seconda delle necessità cellulari.
• È importante il concetto di flessibilità strutturale.
• I livelli strutturali delle proteine fanno riferimento soprattutto alle proteine globulari, il cui folding finale è racchiudibile in una sfera.
• La struttura finale è relativamente stabile ma non rigida, permettendo piccoli movimenti tra gli atomi per la vita.
• La massa molecolare media di un residuo amminoacidico è di 110 Dalton.
• Una piccola proteina di 5000 Dalton contiene circa 45 amminoacidi.
• La conformazione o struttura nativa è lo stato funzionale di una proteina nella cellula.
• Per studiare una proteina si deve rompere i legami deboli per srotolarla.
• La sequenza amminoacidica determina la conformazione nativa.
• La conformazione nativa corrisponde ad un minimo di Energia Libera (G).
• Il passaggio dalla sequenza amminoacidica alla conformazione nativa è un processo complicato non ancora del tutto chiaro.
• La cristallografia, basata sull'uso di fasci di raggi X su cristalli proteici, permette di conoscere la struttura atomica delle proteine e le distanze tra gli atomi.
• L'emoglobina delle cellule è identica in tutti.
• Esiste un modo unico di passare dalla sequenza primaria dei polipeptidi all'emoglobina finale, ma non si conoscono ancora tutte le regole.
• H3 AlphaFold
• Realizzato da Google, è un programma di Intelligenza Artificiale per predire le strutture proteiche.
• Usa un database di strutture proteiche note per estrarre informazioni di predizione.
• Paragona milioni di sequenze esistenti ed estrae informazioni da quelle già presenti.
• Non scopre la grammatica di costruzione di una proteina, ma compara proteine simili.
• Non risolve il problema se non esistono proteine già strutturate con la cristallografia.
• H3 Organizzazione strutturale
• Ci sono 4 livelli di organizzazione.
• Tutte le proteine arrivano alla struttura terziaria, ma solo alcune alla quaternaria.
• Struttura primaria: sequenza ordinata amminoacidica.
• Struttura secondaria: conformazione regolare di una regione; l'α-elica è una delle due strutture secondarie.
• Struttura terziaria: le strutture secondarie si avvicinano tra loro tramite interazioni deboli per formare la struttura terziaria.
• Struttura quaternaria: proteine formate da almeno 2 catene polipeptidiche.
• Proteina e catena polipeptidica coincidono nella struttura terziaria.
• La proteina funzionale nella struttura quaternaria è formata da più catene polipeptidiche.
• H3 Struttura primaria
• È la sequenza lineare ordinata dei residui amminoacidici, dall'ammino-terminale al carbossi-terminale.
• È fondamentale conoscerla per capire tutto ciò che segue, ma è una conoscenza limitata.
• Può non dirci nulla sulla sua funzione, ma fornisce informazioni su quanti e quali amminoacidi sono presenti e in quale ordine.
• Viene rappresentata con i simboli degli amminoacidi.
• H3 Proteina RAC 1
• RAC 1 è un enzima che idrolizza il GTP a GDP e Fosfato, fondamentale per la migrazione delle cellule nello sviluppo umano.
• Nei topi, l'eliminazione del gene per RAC 1 blocca lo sviluppo dell'embrione dopo lo stadio di blastula.
• Proteine simili fanno parte di famiglie con funzioni simili, che partono da diversi geni.
• Il primo amminoacido è sempre una metionina.
• Quando si inizia la sintesi di una proteina, il primo amminoacido montato sui ribosomi è una metionina.
• Rac 1 è una proteina piccola con 192 amminoacidi e un peso molecolare di 21 kDa.
• H3 BLAST
• Usato per cercare proteine della stessa famiglia.
• Permette di identificare sequenze simili e valutare quanto sono simili.
• H3 Struttura secondaria
• Corrisponde al ripiegamento della proteina per formare elementi strutturali particolari in alcune regioni della sequenza polipeptidica.
• Gli angoli di torsione Ф e Ψ determinano la struttura secondaria grazie alla rotazione dei piani.
• La formazione è data dalla coppia di angoli Ф e Ψ lungo la sequenza dei Ca, dal gruppo amminico terminale al C carbossilico terminale.
• Gli angoli o sono legami di torsione relativi al legame peptidico e possono assumere valori di 0° e di 180°.
• La conformazione deriva dalla rotazione degli angoli giro, determinati dalla catena amminoacidica.
• È possibile ottenere la stessa struttura secondaria con sequenze amminoacidiche diverse.
• Gli amminoacidi possono essere in configurazione cis o trans.
• Il legame peptidico determina la posizione cis o trans.
• Ruotare ų non cambia la posizione relativa.
• L'influenza sul rapporto cis/trans è data dall'apertura del legame peptidico.
• La struttura secondaria rappresenta come la proteina si ripiega in elementi strutturali definiti dalle coppie φ e џ.
• È associata a una relativa costanza dei valori di angoli diedri ai Ca-N.
• Il legame peptidico ha carattere di parziale doppio legame e permette la rigidità grazie alla rotazione degli assi del Ca.
• L'angolo ω può essere 0° (cis) o 180° (trans), ma la condizione cis è rara per via dell'ingombro sterico.
• Due glicine vicine possono andare in cis se necessario.
• Il legame trans è favorito perché provoca meno ingombri sterici.
• Il legame è peptidico in trans, con i gruppi ammidico e carbonilico su lati opposti, o in cis, con i gruppi dallo stesso lato.
• H3 Grafico di Ramachandran
• Permette di identificare la combinazione degli angoli di torsione φ e y favorite dal punto di vista energetico.
• Il piano contiene valori che vanno da 180° a +180°.
• Ramachandran ha scoperto che alcune aree hanno probabilità molto bassa di esistere.
• Se si analizzano tutte le proteine, si vede che si concentrano nelle regioni azzurre, corrispondenti alle strutture secondarie più diffuse in biosfera.
• Strutture a elica.
• Strutture ß foglietto.
• Le combinazioni di angoli q e ψ energicamente favorevoli formano le aree colorate nel grafico.
• Quelle più scure sono più favorevoli.
• Quelle azzurre, un po' meno.
• Quelle grigie meno ancora.
• Disposizioni regolari della catena polipeptidica principale, classificate senza riferimenti agli amminoacidi.
• Non dipende dalla sequenza di residui specifici, ma dalla catena principale Ca e CONH.
• La regolarità della conformazione dipende dalla struttura atomica della catena e dai valori di angoli diedri collegati ai Ca.
• Le strutture secondarie sono stabilizzate da legami idrogeno tra il gruppo amminico e carbonilico della catena principale.
• H3 Strutture secondarie
• Proteine globulari con forma più o meno sferica.
• Il 70-80% delle sequenze di proteine globulari ha una di queste tre strutture:
• α elica.
• ß foglietto.
• Reverse turn.
• I segmenti di catena polipeptidica non in a elica, ß foglietto o turn formano loop o random coil, senza ripetizioni o legami idrogeno tra i residui.
• H3 Scoperta della struttura a-elica
• È il chimico Louis Pauling.
• Ha vinto un Nobel per la chimica e uno per la pace.
• È importante perché ha impiegato l'uso della cristallografia a raggi X per definire la struttura delle proteine.
• Il modello dell'a-elica di Pauling indica i Ca e i residui laterali, con i Ca della catena principale inclusi nell'elica mentre i residui sono fuori.
• La sequenza primaria non è essenziale, ma la catena principale e i legami peptidici lo sono.
• L'asse principale dell'elica è Ca-CO-NH.
• I trattini tratteggiati sono i ponti idrogeno, essenziali per la stabilità della struttura.
• L'a-elica può apparire come un tubo cavo.
• I residui laterali sono fuori dall'elica e non danno fastidio.
• N-terminale è in alto e C-terminale è in basso.
• La tipologia di amminoacido non influenza la struttura dell'a-elica, ma le sue proprietà.
• H3 Caratteristiche delle a-eliche
• Sono strutture ripetitive.
• P: passo di 5,4 Å. Le a-eliche destrorse sono termodinamicamente favorite.
• D: distanza tra residui di 1,5 Å.
• N: numero di residui per spira di 3,6.
• Le coppie di angoli diedri o di torsione tipici hanno valori specifici.
• Gli angoli diedri costruiscono una struttura stabile e rigida.

Esplora il ruolo cruciale delle proteine nella conversione dell'energia, nel traffico cellulare e nel ripiegamento. Analizza come la struttura e la flessibilità influenzano la loro funzione biologica. Scopri i principi termodinamici alla base del folding proteico.