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Le proteine : l’importanza nell’etimo
PROTE INA
PROTE ICO chimICO
PROTEINA
proteiõs
protôs
primo
sostanza, medicinale
acqua65%
carboidrati5%
acidi nucleici ed altro2%
lipidi10%
proteine 18%
Sono i costituenti principali del corpo umano
Le proteine:
prime, importanti …
ma quanto grandi?
Le proteine sono macromolecole biologiche polimeriche
Cosa sono le proteine?Polimero = polys méros
molte parti ------ molte parti, ma anche differenti parti?Polietilene: molte parti di etilene (sempre la stessa parte)
Poliammide 6: molte parti di caprolattame (lattame di un amminoacido “acido 6-ammino-esanoico”) (sempre la stessa parte) .
Proteine: molte parti di 20 diverse parti (gli amminoacidi naturali)
20 diverse parti
grande versatilità e potenzialità
struttura
funzione
che derivano dall’unione di unità monomeriche: gli amminoacidi
I costituenti delle proteine: gli amminoacidi
L- Gliceraldeide L-amminoacido
Il carbonio alfa è chirale.
mRNA
amminoacidi : proteine = lettere : parole?
• 20 amminoacidi – 21 lettere;• il significato (la funzione) non dipende da quali costituenti si
utilizzano ma da come sono disposti;
• il significato cambia sostituendo, togliendo aggiungendo un costituente;
• hanno un verso di lettura.
A + M + O + R ROMA MORA RAMO OMAR
R O M A A R O M A M O R A M O DA
M O DA A D O M
ma le proteine sono molto più lunghe e
c’è molto di più ………….
• Sono sintetizzate nel citoplasma delle cellule sui ribosomi.
• Sanno come organizzarsi e conoscono il loro ruolo.
Proteine non Parole
mRNA
L’informazione è contenuta nella sequenza di aminoacidi
• Le proteine non sono semplici polimeri lineari di amminoacidi ma ogni proteina assume la struttura tridimensionale più adatta alla funzione che svolge in un determinato organismo
• Funzione strutturale: proteine fibrose la cui funzione è quella di sostegno, di protezione, di supporto meccanico (capelli, unghie, tendini, cartilagine ecc.)
• Funzione di regolazione: regolano le attività cellulari e fisiologiche (es. ormoni)
• Funzione contrattile o motile: le fibre muscolari, le ciglia e i flagelli delle cellule sono proteine
La funzione delle proteine dipendedalla loro struttura
• Funzione di trasporto: le proteine trasportatrici svolgono un ruolo fondamentale per la vita delle cellule e degli organismi (es. emoglobina coinvolta nel trasporto di ossigeno )
• Funzione catalitica: tutti gli enzimi, più o meno complessi, sono costituiti da proteine
• Funzione di difesa: gli anticorpi e il sistema della coagulazione del sangue sono di natura proteica
La funzione che una proteina svolge è strettamente legata alla struttura tridimensionale che la proteina assume
Tali livelli di organizzazione dipendono dalla sequenza degli amminoacidi che è geneticamente determinata.
La struttura tridimensionale finale è quella più stabile dal punto di vista termodinamico e viene raggiunta attraverso vari livelli di organizzazione strutturale
Sequenza <--> Struttura <--> Funzione
Le proteine, dal momento in cui vengono sintetizzate, passano per 3 stadi o livelli di organizzazione
Struttura primaria
Struttura secondaria a -elica
Struttura terziaria
Le proteine formate da più subunità presentano un ulteriore livello di organizzazione
Struttura quaternaria
I livelli di organizzazione
Struttura secondaria foglietto -b
La STRUTTURA PRIMARIA di una proteina è data dall’esatta sequenza degli amminoacidi.
La struttura primaria delle proteine
Essa non considera le ramificazioni e le altre interazioni ma le determina definendo, così, la forma e quindi la funzione della proteina stessa.
Ma come si legano gli amminoacidi?
H2
O
H2
O
Legami peptidici
In vitro: viene eliminata acqua!
Si ha una reazione di condensazione.
In vivo il processo
è diverso.
Il legame peptidico - formazione
La geometria del legame peptidico
Piani e Snodi
Le configurazioni e le rotazioni nel legame peptidico
La configurazione trans è la più stabile.
• tra Cα e N ammidico (angolo Φ) • tra Cα e C carbonilico (angolo Ψ)
Rotazione
Rotazione libera ma limitata per impedimenti
sterici
tra i gruppi peptidici e le catene laterali
La rotazione comporta ripiegamenti
Le ragioni del ripiegamento
I piani del legame ammidico, ruotando attraverso lo snodo (Ca), consentono il ripiegamento della proteina e quindi il conseguimento di una nuova conformazione.
Il processo è spontaneo quindi: DG<0.Ciò significa che ruotando le molecole conseguono una conformazione a minor contenuto energetico e quindi più stabile.
ΔG = ΔH – T ΔS
Nel caso delle proteine l’energia libera diminuisce perché il processo di ripiegamento è favorito entalpicamente.
L’importanza del legame ad idrogeno in biochimica
I piani ruotano e …
… ruotando gruppi N-H e C=Odi due differenti legami peptidici si avvicinano finché …
DH< 0
… e la macromolecola acquisisce una struttura più stabile che determina …si forma il legame ad idrogeno
DG diminuisceIl processo è spontaneo e …
… la struttura secondaria
maggiore stabilità legami ad H ripiegamento rotazione
Le strutture secondariequante quali perché (l’una o l’altra)
2 (principali) a-elica; foglietto-b il gruppo R
La struttura ad a-elica
4
3
2
1
Il legame ad H (intracatena) si stabilisce tra l’ N-H di un amminoacido e il C=O di quello che lo segue di 4 unità
L’elica è destrorsa; ogni girocomprende mediamente3.6 residui amminoacidici.Tra due Ca successivi distanza : 5 Å; rotazione: 100 gradi
La struttura a foglietto bCatene polipeptidiche quasi completamente estese 3,5Å distanza assiale tra due amminoacidi adiacenti I gruppi R sporgono alternativamente al di sopra e al di sotto del pianoLegami intracatena (tra due gruppi ripiegati della stessa catena)
7A°
Il foglietto è costituito da più segmenti che possono avere verso uguale o opposto
Il foglietto b parallelo
Il foglietto b antiparallelo
Foglietto βantiparallelo
Foglietto βparallelo
Il foglietto b parallelo e antiparalleloI foglietti β delle proteine contengono da 2 a 12 segmenti, in media 6.
I foglietti β paralleli con più di 5 segmenti sono rari, perché meno stabili dei foglietti β antiparalleli, in quanto i legami H dei primi sono maggiormente distorti di quelli dei secondi.
Si incontrano frequentemente foglietti β contenenti sia segmenti paralleli che segmenti antiparalleli.
Strutture terziariaLa catena polipetidica, pur sempre flessibile nonostante la sua struttura secondaria, si ripiega ulterioremente assumendo una forma peculiale nella sua struttura terziaria .
Foglietto βFoglietto βα -Elicaα -Elica
La tendenza a ripiegarsi ulteriormente esprime la naturale tendenza a conseguire una conformazione a maggiore stabilità.
La struttura tridimensionale è strettamente legata alla funzione che la proteina espleta.
maggiore stabilità DG<0 interazioni
Ponti saliniPonti disolfuroLegami H Van der Waals Idratazione
Struttura terziaria: tipi di interazione
LA STRUTTURA TERZIARIA DIPENDE DALLA STRUTTURA PRIMARIA
Fattori che determinano la struttura della proteina:
l’ambienteDNA RNA STRUTTURASEQUENZA FUNZIONE
… ma la conformazione della molecola dipende anche dall’ambiente in cui si trova.
Ad esempio in ambiente acquoso e proteine si assestano disponendo i residui polari verso l’esterno e quelli apolari verso l’interno in modo da favorire la loro sospensione in acqua
Mentre quelle operanti in ambiente lipofilo, come quello caratteristico delle membrane cellulari, avranno i residui apolari verso l’esterno.
Interazione di più proteine attraverso legami deboli.Si forma così un aggregato molecolare nel quale ciascuna proteina costituente (subunità) mantiene la propria struttura terziaria.
L’aggregazione di questi monomeri proteici è data essenzialmente dall’effetto idrofobico: quando catene polipeptidiche separate si avvolgono in forme tridimensionali compatte per esporre i gruppi polari verso l’ambiente acquoso e per schermare quelli non polari dall’acqua, allora appaiono sulla superficie delle toppe idrofobiche, in contatto con l’acqua. Queste toppe possono essere schermate dall’ambiente acquoso, se due o più monomeri si assemblano ponendo a contatto le toppe idrofobiche.
Struttura quaternaria
Fe++
d2sp3
Struttura quaternaria dell’emoglobina
Denaturazione
STRUTTURA FUNZIONE
CONFORMAZIONE TRIDIMENSIONALE NATIVA CONDIZIONI OTTIMALI
La conformazione nativa può essere sconvolta e disorganizzata, senza rottura di alcun legame peptidico ma distruggendo solo i legami non covalenti (ponti H, legami ionici, legami idrofobici)
DENATURAZIONE:
passaggio dalla configurazione nativa (ordinata, funzionale) ad una denaturata (disordinata, non funzionale o meno efficace ed efficiente con riferimento all’attività biologica).
Detto passaggio è causato da agenti denaturanti tra i quali i più comuni sono il calore, il pH, i detergenti, e reagenti capaci di dare forti legami H
Gli agenti denaturanti
IL CALORE: l’energia fornita sotto forma di calore rompe i legami più deboli (intorno a 60°C quasi tutte le proteine sono denaturate).Applicazione: sterilizzazione si uccidono i microbi denaturando le loro proteine in particolare quelle enzimatiche.
IL pH (valori estremi): gli acidi e le basi interferiscono con i residui ionizzabili rompendo i legami ionici.Applicazione: il processo di defacazione nelle determinazioni analitiche si allontana la parte proteica precipitandola con un forte acido organico (ad es. acido trifluoroacetico).
DETERGENTI: modificano la struttura proteica che rivolge i suoi residui polari verso l’esterno per poter rimanere in sospensione.Applicazione: SDS PAGE
REAGENTI capaci di dare forti LEGAMI H: competono con i ponti a idrogeno della struttura secondaria e terziaria della proteina ( es. Urea 8M).