Lezione2IIparteBiochimicaSI PDF

LE PROTEINE  Sono MACROMOLECOLE costituite dall’unione di unità monomeriche: gli AMMINOACIDI, una classe di composti organici contenenti almeno un GRUPPO ACIDO (-COOH) e un GRUPPO AMMINICO (- NH2) legati allo stesso atomo di carbonio in posizione a;  20 specifici amminoacidi che differiscono...

LE PROTEINE  Sono MACROMOLECOLE costituite dall’unione di unità monomeriche: gli AMMINOACIDI, una classe di composti organici contenenti almeno un GRUPPO ACIDO (-COOH) e un GRUPPO AMMINICO (- NH2) legati allo stesso atomo di carbonio in posizione a;  20 specifici amminoacidi che differiscono tra loro per la natura chimica del gruppo R (catena laterale);  Ad eccezione della glicina, tutti gli aa possiedono quattro sostituenti diversi legati all’atomo di C: isomeri L e D, ma solo gli isomeri L formano le proteine  IL LEGAME PEPTIDICO Il legame peptidico è scritto come un legame semplice covalente, ma in realtà è un ibrido di risonanza che presenta un parziale (40%) carattere di doppio legame tra C e N. Di conseguenza l’azoto non ha il doppietto a sua disposizione per i legami con H+ e non può accettare protoni e il legame C-N non può ruotare liberamente.  IL LEGAME PEPTIDICO Il carattere di doppio legame C-N si spiega con l’esistenza di due strutture di risonanza; generalmente la configurazione è con l’O e l’H in trans l’uno rispetto all’altro. Perciò il legame peptidico risulta RIGIDO e PLANARE. La rotazione attorno a C-N è impedita, i 4 atomi del legame peptidico e i due C a si trovano sullo stesso piano. La planarità ha conseguenze importanti per le tre strutture tridimensionali delle proteine. ANGOLI DI ROTAZIONE Vi sono altri due legami interni agli aminoacidi che invece possono ruotare liberamente, essi sono: il legame Ca-CO di un aminoacido, il quale forma un angolo di rotazione detto "psi" e il legame Ca-NH di un altro aminoacido, con angolo di rotazione "phi". La rotazione dipende dall’ingombro sterico dei gruppi R L’angolo di rotazione è noto come ANGOLO DI RAMACHANDRAN, dal nome del biofisico indiano che effettuò i calcoli sui valori consentiti delle coppie degli angoli di rotazione RAMACHANDRAN PLOT La conformazione degli atomi di una catena polipeptidica è perciò determinata dalla coppia di angoli psi e phi di ciascun aminoacido, i quali possono ruotare fino a quando le rispettive catene laterali degli aminoacidi non entrano in collisione tra loro. Per PREVEDERE gli ANGOLI DI LEGAME, si utilizza il grafico di Ramachandran in cui ciascun punto rappresenta una coppia osservata di angoli psi e phi di una proteina. Questa libertà di conformazione permette così alla catena polipeptidica di ripiegarsi fino a formare notevoli strutture regolari. GRAFICO DI RAMACHANDRAN Riportando in un grafico ψ in funzione del corrispondente Φ si individuano 3 regioni ben definite corrispondenti alle coppie di valori consentiti. Le regioni sono definite β, α e L e corrispondono rispettivamente a strutture β, α-eliche destrorse e α- eliche sinistrorse. In queste restrizioni non rientra la glicina che, avendo un H come gruppo R, e quindi un limitato ingombro sterico, può assumere angoli non consentiti ad altri amminoacidi. La glicina può così avere un ruolo importante nella struttura proteica, potendo far assumere alla catena angolazioni "insolite". Per motivi di reciproco ingombro sterico dei grossi gruppi laterali R e affinché sia ottimizzata la stabilizzazione del peptide attraverso la formazione di legami H intra-catena, gli angoli ψ e Φ possono assumere solo determinati valori. La conformazione della catena polipeptidica è definita da questi valori. GRAFICO DI RAMACHANDRAN PER LE a-ELICHE Legami idrogeno tra C=O (aa n) e N-H (aa n+4) Nel diagramma entrambe le eliche destrogire e levogire ricadono in regioni permesse; tuttavia nelle proteine le a-eliche sono principalmente destrogire  STRUTTURA AD a-ELICA  Filamento peptidico forma un’elica destrorsa  3,6 aa per spira  a-elica è stabilizzata da legami idrogeno paralleli all’asse dell’elica  Legami idrogeno tra C=O (aa n) e N-H (aa n+4)  Ogni residuo aa forma un legame H  Angoli torsionali psi e phi assumono valori pari a -60° e -45/-60°  Gruppi laterali sono esposti al solvente  Cluster di Glu e Asp oppure Lys e Arg destabilizzano  Cluster di aa con R ingombranti destabilizzano  Pro è incompatibile con a-elica FERRITINA  a-ELICA AVVOLTA Due o più filamenti avvolti ad a-elica possono ulteriormente avvolgersi l’uno sull’altro formando una struttura a cordone intrecciato costituita da fibre estremamente resistenti. Queste strutture si trovano in molte proteine tra cui la CHERATINA dei capelli, delle penne, delle unghie e delle corna; ma anche nella miosina e tropomiosina delle fibrille muscolari; nella fibrina dei coaguli ematici.  a ELICA a elica è la struttura secondaria più abbondante. La prolina interrompe l’a elica. Gli aa con -R voluminosi o carichi possono interferire con la formazione dell’a elica. OGNI H AMMIDICO è coinvolto in un legame idrogeno CON CARBONILE di un altro aa. Le catene laterali degli aa si protendono verso l’esterno Le proprietà idrofobiche o idrofiliche di una a elica dipendono dai residui laterali –R dei suoi aa.  STRUTTURA A a ELICHE ATP5MC  FOGLIETTO b La seconda struttura secondaria più importante è il foglietto b. I Legami idrogeno non si formano tra i residui della stessa catena come nella a elica, ma tra catene polipeptidiche vicine: Foglietto b ANTIPARALLELO in cui i legami H si formano tra catene che hanno direzione opposta Foglietto b PARALLELO in cui i legami H si formano tra catene che vanno nella stessa direzione STRUTTURE b Con questo ripiegamento la catena polipeptidica si trova molto più distesa che nell’a-elica: la distanza assiale tra due residui adiacenti passa da 0,15 a 0,35 nm e assume un andamento a zig-zag Le catene laterali sono alternativamente sotto e sopra il piano della catena  FOGLIETTO ANTIPARALLELO b Le catene b adiacenti hanno orientamento opposto. I legami idrogeno tra i gruppi NH e CO di filamenti adiacenti stabilizzano la struttura  FOGLIETTO PARALLELO b Le catene b adiacenti hanno la stessa direzionalità. I legami idrogeno uniscono ogni aa di una catena con due diversi aa della catena adiacente FOGLIETTO MISTO STRUTTURA DI RIPIEGAMENTO b Il gruppo CO del residuo amminoacidico i della catena polipeptidica è unito con legame idrogeno al gruppo NH del residuo i+3 e questo rende stabile la struttura  FOGLIETTO b  Catene polipeptidiche si affiancano una all’altra per dare origine ad una superficie che sembra un foglietto  Il foglietto b si può formare tra catene indipendenti (STRUTTURA INTERCATENA) o nell’ambito della stessa catena polipeptidica (STRUTTURA INTRACATENA)  Legami tra C=O e N-H di un filamento e N-H e C=O del filamento adiacente (ORTOGONALI RISPETTO AI FILAMENTI POLIPEPTIDICI)  Residui laterali R esposti sopra e sotto il piano del foglietto  Angoli torsionali psi e phi assumono valori di circa -100° e +100°  Struttura che favorisce aggregati proteici  FOLDING PROTEICO Oltre alle proprietà specifiche dei legami intra-aminoacidici, vi sono un INSIEME DI FORZE DEBOLI (NON COVALENTI) che guidano il processo di RIPIEGAMENTO della proteina nella sua conformazione nativa; questi legami sono: legami H, legami ionici, attrazioni di Van der Waals. La stabilità complessiva della struttura dipende dalla somma delle suddette forze agenti. Durante il processo di ripiegamento, detto "folding proteico", la driving force che guida l'intero processo è rappresentato dalle proprietà idrofobiche delle catene laterali di alcuni aminoacidi che in soluzione tendono spontaneamente a disporsi lontano dalla fase acquosa, per ridurre al minimo l'energia totale del sistema. Si ha così che i gruppi idrofobici degli aminoacidi come FENILALANINA, LEUCINA, VALINA e TRIPTOFANO tendono a raggrupparsi INTERNAMENTE alla struttura proteica, mentre gli altri aminoacidi polari come ARGININA, GLICINA e ISTIDINA presenti nella catena tendono a porsi sulla SUPERFICIE della struttura, a diretto contatto con l'acqua (o altri solventi polari) dove stabiliscono legami idrogeno. In termini energetici le proteine tendono sempre a disporsi in conformazioni con livelli di energia libera minimi (G°). FREQUENZE RELATIVE DEGLI AA NELLE STRUTTURE SECONDARIE  CONFORMAZIONI ALTERNATIVE DI UNA SEQUENZA PROTEICA La sequenza VDLLKN assume una conformazione ad a-elica in una proteina e a foglietto b in un’altra  SRUTTURA DELLE PROTEINE La struttura di una proteina determina le sue proprietà. Si distinguono diversi livelli di organizzazione delle proteine:  Struttura primaria (sequenza degli aminoacidi) Sede delle mutazioni genetiche Sempre lineare  Struttura secondaria (conformazione della catena) Indipendente dai gruppi R α-elica o β-a pieghe  Struttura terziaria (tridimensionalità della catena, folding) Relazioni locali o remote dei gruppi R Localizzazione dei ponti S-S  Struttura quaternaria (interazioni non covalenti fra più catene) NB: Le strutture 2a, 3a e 4a dipendono dalla struttura 1a 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 la funzione della proteina. Alla grande varietà di strutture tridimensionali corrisponde una grande varietà di funzioni.  SRUTTURA PRIMARIA La struttura primaria non è esattamente una struttura nel senso che si riferisce alla sequenza amminoacidica della proteina. La lunghezza può variare notevolmente. INSULINA è stata la prima sequenza amminoacidica identificata: due catene polipeptidiche (A) di 21aa e (B) di 30 aa.  SRUTTURA SECONDARIA Quando la struttura primaria di una proteina si ripiega in strutture regolari ripetute si forma la struttura secondaria. Essa dipende dalla formazione di legami a H. SRUTTURA TERZIARIA Costituisce la conformazione a 3 dimensioni di un polipeptide che forma oltre legami H, legami S-S, interazioni ioniche e legami idrofobici. La funzionalità di una proteina dipende dalla sua struttura terziaria: se questa è distrutta la proteina perde la sua attività.  SRUTTURA TERZIARIA R apolari verso l’interno (eccetto in proteine integrali di membrana) R polari verso l’esterno (solvatati da H2O) La struttura terziaria è stabilizzata da 4 tipi di interazione: o Interazioni idrofobiche: gli aa con catene laterali non polari tendono a localizzarsi all’interno della molecola dove si associano con altri residui idrofobici o Interazioni ioniche: i gruppi con carica negativa (-COO-) possono interagire con i gruppi carichi positivamente (-NH3+) R polari verso linterno r apolari verso lesterno o Legami a idrogeno è stabilizzata da 4 tipi di interazione : o Pondi disolfuro 1- idrofobiche gli aa con catene laterali non polari tendono a localizzarsi verso linterno dove si associano con altri residui idrofobici 2-ioniche gruppi con cariche negativa interagiscono con gruppi di carica positiva. 3-lòegami a idrogeno 4-pondi disolfuro SRUTTURA TERZIARIA Oltre al legame peptidico gli amminoacidi possono essere legati tra loro tramite PONTI DISOLFURO. Questo è un legame chimico di natura covalente che si viene a formare tra due atomi di zolfo di due residui cisteinici. Questa modifica post- traduzionale riveste una notevole importanza nella stabilizzazione della struttura terziaria di molte proteine. La formazione dei ponti disolfuro avviene per OSSIDAZIONE DEI GRUPPI TIOLICI dell'amminoacido cisteina con formazione della cistina. Il legame S-S è un legame singolo. Le catene polipeptidiche formate da più di 200 aa in genere comprendono uno o più domini, piccole unità compatte I DOMINI sono le UNITA’ STRUTTURALI e FUNZIONALI di una proteina - Ciascun dominio è una regione globulare, compatta che si forma per combinazione di più elementi strutturali (a eliche, foglietti b) - Strutturalmente ciascun dominio è indipendente da altri domini della stessa catena polipeptidica La struttura terziaria riguarda sia il ripiegamento di ciascun dominio sia la disposizione reciproca finale dei domini di un polipeptide i domini sono le unita strutturali e. funzionali di una proteina MOTIVI PROTEICI  STRUTTURA QUATERNARIA Molte proteine sono costituite da una sola catena polipeptidica (proteine monomeriche). Alcune proteine sono costituite da 2 o più catene polipeptidiche (subunità) strutturalmente identiche o diverse (proteine multimeriche). L’associazione di queste subunità costituisce la struttura quaternaria. Le subunità sono tenute insieme da interazioni non covalenti.  F1 catalytic domain The ATP (mitochondrial synthase can matrix) synthesize or hydrolyze ATP, depending on its rotary direction F0 Embedded in IMM  ATP synthase 17 nuclear 2 mitochondrial genes genes less known more studied pathogenic variants pathogenic mutations possibly phenotype dependent underdiagnosed on heteroplasmicity mendelian inheritance Mutations in ATP synthase have been associated with neurological and neurodegenerative disorders, e.g. limb dystonia, ataxia, speech delay, reduced ATP production, increased ROS production, disrupted mitochondrial morphology, reduced OCR Table modified from Fernandez-Vizarra E. and Zeviani M., FEBS Letters 2020 Map of mutations of F-ATP synthase and their effects on the permeability transition Carraro M. et al., FEBS letters 2019 RIEPILOGO STRUTTURA PROTEINE  MALATTIE DOVUTE AL DIFETTOSO FOLDING Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro struttura funzionale e che tendono a formare grossi 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.  CLASSIFICAZIONE PROTEINE  PROTEINE FIBROSE: insolubili in acqua per la presenza di elevate [ ] di AA idrofobici. Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti. In genere presentano un unico tipo di struttura secondaria. 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 GLOBULARI: solubili in acqua Le catene polipeptidiche sono ripiegate ed assumono forma compatta, sferica o globulare. Contengono più tipi di struttura secondaria. Utilizzate per tessuti connettivi e comprendono: enzimi, proteine di trasporto (p.es. albumina, emoglobina), proteine regolatrici, immunoglobuline, etc le proteine vengono classificate in : 2- proteine globulari : sono solubili 1: proteine fibrose che sono insolubili in in acqua le loro catene acqua in quanto gli aa sono prettamente polipeptidiche sono compatte, idrofobici e hanno catene polipeptidiche sferiche o granulari , contengono disposte in lunghi fasi o foglietti, hannouna piu di una struttura secondaria, singola struttura secondaria , in genere le vengono utilizzate per tessuti catene polipeptidiche si associano in fasci connettivi e comprendono : sopramolecolari per nascondere la enzimi , proteine di trasporto , parteidrofobica , vengono utilizzate per ruoli proteine regolatrici , strutturali es: cheratina o collagene immunoglobuline..  PROTEINE FIBROSE Ruoli strutturali in cellule e tessuti animali  Miosine (muscoli)  Fibrina (coaguli si sangue)  a-cheratina (capelli)  Collageni (tendini, tessuti connettivi, cartilagini)  b-cheratina (piume, scaglie)  Fibroina (seta)  Elastina (tessuto estensibile,legamenti,vasi sangugni) La lunghezza può superare 100nm (0.1mm) MATRICE EXTRACELLULARE  Le patologie del collagene sono numerose e comprendono quelle cardiovascolari (aneurismi e malfunzionamento delle valvole), scheletriche (fragilità ossea, artrite), dermatologiche (perdita elasticità della pelle) e oftalmologiche (dislocazione del cristallino). IL COLLAGENE E’ UNA GLICOPROTEINA  i carboidrati (galattosio o glicosil galattosio) sono legati alla IDROSSILISINA (lisilidrossilasi-3);  Cofattori degli enzimi di idrossilazione Fe2+, a- chetoglutarato e acido ascorbico Nello SCORBUTO (collagenopatia per carenza di Vit C) si ha un’alterazione della tripla elica per scarsa idrossilazione degli aminoacidi che determina instabilità della tripla elica, fragilità delle fibre e alterazioni dei tessuti es bassa statura, difficoltà di rimarginazione delle ferite, etc ULTRASTRUTTURA DELLE FIBRILLE FIBRILLE: diametro variabile 10-300nm costituite da zone chiare (hole) e scure (overlap) alternate: corrispondono alla disposizione regolare di 4 o 8 molecole di tropocollagene Ogni molecola di tropocollagene è adiacente longitudinalmente alla molecola accanto ma sfalsata di circa un quarto della sua lunghezza: intervallo di 40 nm La singola molecola di tropocollagene è costituita da tre catene a TRE TIPI DI STRUTTURE Membrane basali e tessuti morbidi (tipo IV e V) Collageni interstiziali o fibrillari (tipo I, II, e III)  PROTEINE GLOBULARI Proteina che trasporta l’ossigeno nei muscoli. Le interazioni sono dovute a ponti disolfuro, alla polarità o meno dei gruppi R, e alla capacità di formare legame ad idrogeno.  CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE  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)  PROTEINE SEMPLICI E CONIUGATE Molti enzimi contengono solo amminoacidi e nessun altro gruppo chimico PROTEINE SEMPLICI. Altre proteine contengono, oltre agli amminoacidi, gruppi chimici funzionali permanentemente associati PROTEINE CONIUGATE. La parte non amminoacidica viene definita GRUPPO PROSTETICO. proteine coniugate contengono amminoacidi e gruppi chimici gruppo prostteico parte non amminoaicida fosfoproteine e fosfolipidi sono insolubili in acqua ma negli alcani diluiti contengono come gruppo prostetico acido ortofosforico PROTEINE CONIUGATE  Le FOSFOPROTEINE e i FOSFOPROTIDI sono insolubili in acqua, solubili negli alcali diluiti, contengono come gruppo prostetico ACIDO ORTOFOSFORICO. Una fosfoproteina è la caseina del latte che non coagula al calore in ambiente neutro ma in ambiente acido. Nel tuorlo d’uovo si trova la ovovitellina.  I NUCLEOPROTIDI hanno come gruppo prostetico GLI ACIDI NUCLEICI: il prodotto finale del catabolismo delle basi puriniche è l’acido urico. L’ingestione eccessiva provoca uricemia, calcoli renali e gotta.  GLICOPROTIDI e MUCOPROTEINE: il gruppo prostetico è un CARBOIDRATO. Si trovano in vari tessuti dove possono svolgere azione protettiva.  Le CROMOPROTEINE sono costituite da una GLOBULINA e un PIGMENTO CROMOFORO contenente un metallo (Fe, Mg) oppure un nucleo allossazinico o carotenoide. Nell’emoglobina del sangue e nella mioglobina di muscoli il gruppo prostetico è l’EME contenente un atomo di Ferro legato a quattro nuclei pirrolici collegati fra loro a formare il nucleo porfirinico.  LIPOPROTIDI il gruppo prostetico è formato da ACIDI GRASSI semplici e complessi  Le ERGOPROTEINE il gruppo prostetico è costituito da BIOCATALIZZATORI come enzimi, vitamine e ormoni