PROTEINE. Amminoacidi

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1 PROTEINE Le proteine sono le macromolecole alla base delle attività cellulari. Sono oltre diecimila per cellula, dove svolgono differenti funzioni: Sono ad esempio: enzimi: aumentano la velocità delle reazioni metaboliche, consentendo il loro svolgimento a temperatura ambiente; proteine filamentose: forniscono il sostegno meccanico agli organelli citoplasmatici, alla cellula e all ambiente extracellulare; ormoni, fattori di crescita e attivatori genici: svolgono funzioni di regolazione a vari livelli intra- e intercellulari, tissutali, di organi; recettori e trasportatori di membrana: selezionano ciò che entra ed esce dalla cellula; proteine contrattili: sono alla base della motilità cellulare, tissutale, di organo e organismo; proteine motrici: sono alla base del traffico vescicolare intracellulare; anticorpi (alla base dell immunità) o tossine ( sostanze tossiche di origine batterica, vegetale o animale), da fotocettori (assorbono al luce). Ciascuna proteina ha una struttura unica, preordinata (struttura nativa) che alla base della specificità e selettività dell interazione con le altre molecole. Se denaturate(perdita della struttura nativa) le proteina diventano biologicamente inattive Amminoacidi Le proteine sono polimeri lineari di (20) α-amminoacidi Gli α- amminoacidi (a.a.) formano isomeri ottici. Solo gli L- a.a. sono presenti nelle proteine. Gli a.a. sono 20 e in base al gruppo R, si raggruppano in: apolari; polari neutri; polari carichi

2 AMINOACIDI APOLARI AMINOACIDI POLARI

3 Legame peptidico La polimerizzazione degli a.a. avviene tramite una reazione di condensazione tra il gruppo carbossilico di un a.a. con il gruppo amminico dell a.a. successivo, a formare un dipeptide, il tripetide e così via. L aggiunta (sintesi) dell a.a. successivo avviene sempre all estremità carbossilica terminale. La lettura degli a.a. procede sempre dalla estrimità ammino (N)- terminale a quella carbossilica (C)-terminale, ovvero quella di sintesi. Conformazione nativa In ambiente acquoso della cellula, il peptide sintetizzato assume una conformazione unica, biologicamente attiva (conformazione nativa), ripegandosi in modo tale da esporre all esterno le catene laterali polari, e quelle apolari all interno. La conformazione nativa dipende quindi dalla sequenza degli a.a, che rappresenta la struttura primaria. L acquisizione della conformazione nativa è comunque guidata da particolari proteine, le chaperonine (accompagnatrici).

4 Struttura secondaria Le strutture ad α- elica e a β piani sono elementi comuni della struttura secondaria delle proteine. Nei modelli conformazionali delle proteine i due motivi sono rappresentati: i β-piani con una freccia piena le α- elica con una spirale o con un cilindro

5 Struttura terziaria La struttura terziaria di una proteina è definita dai legami e dalle interazioni tra i gruppi R degli amminoacidi. I tipi di legame sono: o legami ionici; o interazioni idrofobiche; o legami a idrogeno; o legami disolfurici.

6 Per struttura terziaria, si intende il modo in cui l'intera catena polipeptidica è ripiegata nella struttura tridimensionale propria della proteina. In pratica, la struttura terziaria definisce le coordinate spaziali di tutti gli atomi del polipeptide. I ripiegamenti della catena fanno sì che elementi di struttura secondaria vengano a trovarsi vicini l'uno all'altro, in modo che le catene laterali R dei residui amminoacidici possano interagire fra loro formando legami deboli (interazioni di van der Waals e legami a ponte di H), che contribuiscono a stabilizzare la conformazione 3D della proteina. In alcuni casi, oltre a queste interazioni di natura essenzialmente elettrostatica, possono formarsi legami covalenti (ponti disolfuro, S-S) fra due catene laterali di residui di cisteina che, sia pur lontani nella sequenza amminoacidica, vengano a trovarsi in prossimità a causa dei ripiegamenti della catena. Questi legami, essendo legami covalenti forti, danno un contributo notevole alla stabilità della struttura terziaria. Un altro fattore che determina la conformazione tridimensionale stabile di una proteina, sono le interazioni delle catene laterali con il solvente (l'acqua). Le catene laterali apolari dei residui amminoacidici tendono infatti a disporsi verso l'interno della proteina, a costituire un "core" di natura idrofoba inaccessibile al solvente, mentre i gruppi R polari (idrofili) tendono a rimanere esposti alla superficie, dove possono formare legami a H con l'acqua del mezzo.

7 Struttura quaternaria Per buona parte delle proteine, la struttura terziaria rappresenta l'ultimo livello di organizzazione strutturale. È il caso delle proteine cosiddette monomeriche, costituite cioè da un'unica unità funzionale, biologicamente attiva. Molte altre proteine (ad esempio, un gran numero di enzimi), nella loro forma attiva sono invece costituite dall'associazione di due o più unità di struttura terziaria (dette monomeri o subunità), uguali (proteine omooligomeriche) o diverse (proteine etero-oligomeriche). Si parla in tal caso di struttura quaternaria, per riferirsi all'organizzazione multimerica della proteina. Nella struttura quaternaria, le subunità sono tenute insieme da interazioni generalmente non covalenti, spesso di natura idrofobica. Raramente, più catene peptidiche sono unite da legami covalenti, come accade ad esempio nelle immunoglobuline (una classe di anticorpi), in cui le catene leggere e pesanti sono tenute insieme da ponti disolfuro. Altrettanto insolito è il coinvolgimento diretto di legami a ponte di idrogeno nell'associazione di più subunità. Nella struttura quaternaria infatti, le subunità tendono ad affiancarsi in modo da contrapporre l'una all'altra le loro porzioni idrofobiche, rivolgendo verso l'esterno le regioni polari, idrofile. Proteine coniugate

8 L' emoglobina è un esempio classico di una proteina a struttura quaternaria. La proteina è un tetramero costituito dall'associazione di due catene α (141 amminoacidi) e due catene β (146 amminoacidi), ciascuna delle quali lega un gruppo eme (vedi figura). Attenzione: la designazione delle catene non ha nulla a che vedere con gli omonimi elementi di struttura secondaria. Il gruppo eme è un complesso coordinato, formato da una porfirina sostituita (protoporfirina IX) e lo ione Fe 2+. La porfirina è una struttura planare costituita da quattro anelli di pirrolo (un eterociclo pentatomico contenente un atomo di azoto), uniti da ponti metinici (- CH-). Lo ione Fe 2+ si trova al centro della struttura, legato con quattro dei suoi sei legami di coordinazione ai quattro atomi di azoto del tetrapirrolo. Legandosi con un altro legame di coordinazione ad un residuo di istidina (detta F8, perché è nell'ottava posizione dell'elica F), il Fe àncora saldamente alla proteina l'intero gruppo eme. Il sesto legame di coordinazione del Fe è quello che lega la molecola di O 2 ; al legame dell'ossigeno contribuisce anche una istidina (E7), mediante un ponte di H. Oltre che nella emoglobina, l'eme è presente nella mioglobina e nei citocromi, proteine che trasportano elettroni nella catena respiratoria, nella clorofilla e nella vitamina B 12 ; in queste due molecole il Fe è tuttavia sostituito da Mg++ e Cu+, rispettivamente.