Biochimica - modulo 1 struttura 1 e 2 proteine

Struttura delle proteine

Le proteine hanno una struttura complessa:

• Primaria
• Secondaria
• Terziaria
• Quaternaria

Struttura primaria

Costituita dalla sequenza degli aa che la compongono. Gli aa si legano con legame peptidico.

Si forma tra il gruppo carbossilico di un aa e il gruppo amminico dell'altro.

Es: Glicina + Alanina = Glicilalanina.

Legame covalente (forte) che lega gli aa in una proteina tra C e N (transazione).

Si forma dalla reazione di condensazione (endoergonica) con la formazione del legame, si stacca e un H dal gruppo carbossilico e un H dal gruppo amminico formando una molecola di H₂O.

Non spontanea, richiede energia.

Spontanea, ma molto lenta, per questo le proteine sono stabili, ci vuole molto attivatore.

Si rompe con idrolisi, dove bisogna aggiungere una molecola di H₂O per rompere il legame.

Esoergonica (spontanea, non ha bisogno di energia, ma ha elevata energia di attivazione, per questo le proteine sono stabili).

Struttura delle proteine

Le proteine hanno una struttura complessa:

• Primaria
• Secondaria
• Terziaria
• Quaternaria

Struttura primaria

Costituita dalla sequenza degli aa che la compongono. Gli aa si legano con legame peptidico.

Si forma tra il gruppo carbossilico di un aa e il gruppo amminico dell'altro.

Es. glicina + alanina = glicilalanina.

Legame covalente (forte) che lega gli aa in una proteina tra C e N (ammide).

Legame ammidico dal punto di vista chimico.

Ammide = non ionizzabile, non cariche nette.

Si forma dalla reazione di condensazione (endoergonica) con la formazione del legame, si stacca OH dal gruppo carbossilico e un H dal gruppo amminico formando una molecola di H₂O.

Non spontanea, richiede energia.

Spontanea, ma molto lenta, per questo le proteine sono stabili, ci vuole molto tempo a romperle.

Si rompe con l'idrolisi, dove bisogna aggiungere una molecola di H₂O per rompere il legame.

Peptidi e estremità della catena

• Quando 2 aa si legano, formano un dipeptide.
• 3 aa → tripeptide.
• Pochi aa (10-15) → oligapeptide.
• Tanti aa (100-200) → polipeptide.

Ogni qualvolta che si forma un peptide, si distinguono 2 diverse estremità della catena:

• N-terminale → gruppo amminico libero del 1^o aa.
• C-terminale → gruppo carbossilico libero dell’ultimo aa.

La sequenza amminoacidica di una proteina si scrive sempre dall'N verso il C.

Per dare un punto di riferimento, le posizioni amminoacidiche sono numerate da 1 su N-terminale fino a C-terminale.

In un peptide le unità amminoacidiche sono considerate residui, cioè se si ha un aa glicina e un aa alanina, nel caso della glicilalanina.

Caratteristiche del legame peptidico

Il legame peptidico è di tipo planare, si ha un C_α legato a un C carbossilico che fa il legame con N dell'aa adiacente e ad esso è legato un C_α.

Il legame peptidico è soggetto a risonanza, dove c'è una particolare distribuzione delle 2 coppie di elettroni tra O carbossilico e N amminico. N amminico ha una coppia di elettroni non di legame che per risonanza si va a posizionare tra C e N. Uno dei 2 doppi legami tra C e O per risonanza forma un doppietto elettronico su O stesso. Si arriva a = legame tra C e N.

Non esiste una forma o l'altra, ma coesistono.

Si ha una forma intermedia tra le 2.

Il legame C-N ha una natura di doppio legame, che ha caratteristiche importanti:

1. Tutti e 6 gli atomi della molecola sono vincolati a posizionarsi sullo stesso piano, per questo il legame peptidico è planare. Tutti gli atomi sono sullo stesso piano.
2. I doppi legami possono esistere in 2 configurazioni, cis e trans: 2 carboni che si posizionano su 2 lati opposti del legame. 2 C si posizionano sullo stesso lato del legame.

Legame peptidico = planare e rigido.

Legame peptidico = natura di doppio legame parziale, ossia che gli atomi del legame peptidico giacciono sullo stesso piano.

I 6 atomi non possono muoversi uno rispetto all'altro, sono vincolati quindi a posizionarsi rigidamente.

È un vincolo di rigidità molto grande.

Lezioni

Le vicende di rigidità è importante perché è un vincolo sul ripiegamento della catena peptidica nello spazio.

Ci possono essere dei movimenti di rotazione attorno al legame che unisce C_α e azoto ammidico (φ) e attorno al legame che unisce C_α con il carbonio carbonilico (ψ).

La rotazione possibile non è a 180° dato che alcuni angoli sono impediti per ingombro sterico tra atomi della catena peptidica e le catene laterali R.

Prolina

A causa che è un vincolo di rigidità, è ciclica, e il gruppo laterale R si lega formando una struttura ciclica sull'azoto ammidico dello stesso.

Stato di carica che può avere una proteina

I gruppi α-carbossilici e α-amminici del legame peptidico non sono ionizzabili, sono però ionizzabili gruppi funzionali delle catene laterali:

• Gruppo ammino-terminale.
• Gruppo C-terminale.
• Eventuali gruppi ionizzabili su catene R.

Lo stato di carica/dissociazione di questi gruppi dipende dal pH della soluzione e dal pK del gruppo stesso. pH pK → il gruppo è deprotonato.

Punto isoelettrico (pI): si può individuare per ogni proteina. È il pH al quale la proteina ha una carica netta nulla, ma non significa che la proteina non ha carica, ma vuol dire che a quel pH le n° di cariche + e - è uguale, quindi si compensano e la carica netta è nulla.

Le proteine sono macromolecole informazionali, la cui seq. amminoacidica, quindi la loro struttura primaria, deriva dal codice genetico che ci indica la correlazione tra triplette di nucleotidi presente sul DNA e aa presente sulla struttura 1° della proteina. Nella proteina troviamo l'informazione genetica presente nel DNA per questo si chiamano così. Durante la traduzione, la sintesi di una proteina inizia da N-terminale a C-terminale, segue la stessa direzione che veniva usata per la sintesi proteica stessa.

Mioglobina

Mioglobina: proteina che è all'interno delle cellule e lega l'ossigeno. È fatta da 153 aa. È una proteina monomerica.

La stessa proteina può avere una struttura primaria differente.

Le proteine polimorfiche nell'uomo sono circa il 20-30%.

Queste differenze sono tanto minori quanto più le specie animali sono vicine filogeneticamente. Non sono quasi mai differenze negative.

Quando confronto 2 sequenze primarie:

• Residui invarianti: aa identici occupando la stessa posizione. Sono indispensabili al corretto funzionamento biologico della proteina.
• Sostituzioni conservative: tutte le mutazioni dove un aa sostituito da un aa simile, ad esempio aa acido sostituito da un altro aa acido e così via. Questi aa dicano che in quella posizione non serve quello specifico aa, ma importa che ci sia quell'aa che ha quelle proprietà sulla catena laterale n.
• Sostituzioni non conservative: sono più casuali, non è indispensabile che sia la stessa tipologia di aa.

Alcune mutazioni possono compromettere il corretto ripiegamento e la corretta funzione biologica di una proteina.

Modificazioni dei gruppi N e C terminale

Sono modifiche che si possono trovare nelle strutture primarie sui gruppi N e C terminale. Modifiche chimiche dopo la sintesi.

• N-terminale = subisce acetilazione, dove c'è un gruppo acetile attaccato al gruppo amminico N-terminale.
• C-terminale = viene ammidiato, dove carbossile diventa un ammide.

Modificazioni su altri gruppi chimici

• Fosforilazione = su gruppi alcolici (OH), ossidrilici, possono attaccarsi fosfati.
• Questi gruppi possono anche subire glicosilazioni: legame di uno zucchero. Quando una proteina subisce glicosilazione, il gruppo -OH di un aa è legato uno zucchero.

La struttura primaria viene tradotta dal DNA, la sequenza nucleotidica del DNA viene prima trascritta in mRNA messaggero e poi tradotta in una proteina.

C'è corrispondenza tra la sequenza nucleotidica sul DNA e la sequenza amminoacidica sulla proteina.

Non sempre la sequenza tradotta corrisponde alla struttura primaria della proteina funzionante.

A volte la sequenza tradotta viene modificata e alcuni pezzi non sono presenti nella proteina finale. → esempio: peptide segnale.

Peptide segnale

Peptide segnale: è anch'esso codificato dal DNA.

La sintesi proteica

Forma:

• Peptide segnale.
• Proteina.
• Sequenze amminoacidiche che sono posizionate all'N-terminale di una proteina.

Quando l'mRNA viene tradotto, la proteina sintetizzata contiene sia il peptide segnale che la sequenza vera e propria della proteina.

I peptide segnale sono dei target, delle informazioni che permettono alla proteina di essere guidata attraverso le membrane cellulari o le membrane degli organelli.

Fasi in breve: la proteina è sintetizzata.

Con le peptidi segnali, si muove e si sposta nel giusto comparto cellulare o extracellulare e quando lo raggiunge, le peptide segnale viene tolto con specifica enzima della proteina che mantiene la sua sequenza primaria della proteina fatta e finita e può iniziare la sua funzione biologica.

Quando la proteina perde tutti i suoi peptidi segnali, si dice che in forma matura.

Proteina matura → modificazioni che ci sono tra la sintesi proteica e completamento della proteina fatta e finita.

Glicosilazione ecc. fanno parte della maturazione della proteina.

01/10/20

Il polipeptide lineare si organizza nello spazio in una struttura tridimensionale.

La struttura primaria è maggiormente stabile per le interazioni deboli. Ci sono 2 ragioni del perché la proteina si ripiega nello spazio.

1. Ragioni termodinamiche: entelepica: massimizza le n° di legami intermolecolari. Entropica: i residui (aa) idrofobici di una proteina in soluzione acquosa, si organizzano in modo da minimizzare la superficie di contatto con l'H₂O.
2. Ragioni funzionali / conseguenze: la struttura è fondamentale per la corretta funzione biologica.

La necessità di rendere più compatta la struttura primaria, si traduce in organizzazione gerarchica scalamente nelle strutture secondarie, strutture discrete che hanno una struttura molto ripetitiva e regolare, che serviranno come elementi di organizzazione di strutture di ordine superiore.

Struttura secondaria

Rappresenta la disposizione nello spazio degli atomi di uno scheletro peptidico. Tutti gli atomi coinvolti nello scheletro peptidico esclusi. I gruppi R, gruppi laterali. I gruppi laterali, R, possono avere un'influenza sulla struttura.

Tutte le strutture secondarie sono principalmente stabilizzate da legami a H tra gruppi C=0 ed NH, che non sono gruppi liberi, ma sono impegnati per formare un legame peptidico. Sono stabilizzate principalmente da legami H dello scheletro peptidico.

Nelle strutture secondarie avvengono dei vincoli o rigidità, dati dai legami peptidici che hanno una parziale natura di doppio legame che porta conseguenze nella rigidità e posizione degli atomi coinvolti.

Le 2 strutture secondarie più comuni.

1. Alfa elica: lo scheletro peptidico si organizza lungo una organizzatrice di un cilindro, formando un'elica destrorsa per completare una spira completa servono 3,6 residui. La distanza tra ogni spina è 5,4Å. 1Å = 10^-10 metri.

È stabilizzata da legami idrogeno che avvengono ogni 4 residui (tra CO e NH). Questi legami avvengono tra atomi che fanno parte dello scheletro peptidico. I legami idrogeno sono allineati, le cui massimizza la forza di legame (stabilità).

I gruppi laterali R sporgono all'esterno dell'alfa. Ogni gruppo R può avere interazioni con le gruppo R distante 3 posizioni. Possono quindi contribuire a rendere possono creare motivi di stabilità e di instabilità.

Motivi di stabilità

• Aa carica negativa/meno tre distante 3 posizioni, da uno carica positivamente. Si forma coppia ionica^*.
• Due aa ingombranti distanti 3 residui che fanno interazioni idrofobiche tra loro.

Motivi di instabilità

• Repulsione di carica tra aa con stessa carica distanti 3/4 posizioni.
• Carboramici β ramificato, crea un gruppo laterale n molto ingombrante. Cp è un e eggetto al cα ingombro sterico.
• Prolina: aa non compatibile con α-elica, per motivi di rigidità strutturale, → fa ciclo.
• Glicina: non ha il gruppo laterale n che serve per proteggere le legame H dell’elica.

^* Coppia ionica: si forma attrazione elettrostatica che trae vicine le 2 spire e da stabilità.

L'H₂O può rompere le legame H e fare legame H con gruppi funzionali delle: elica; gruppi R quindi mascherano; legami di dall'H₂O, ma la glicina non è ingra.

Elica 3₁₀: ogni aa fa legami H a max 3 posizioni.

Elica_α: ogni aa fa legami di H con un aa distante 4 posizioni. Dato che ha 5 posizioni è più largo.

β foglietto

2) β Foglietto: i legami H si formano tra segmenti di catene affianc. non pertenza della stessa catena.

Prolina = non compatibile con β-foglietto.

I legami H sono sempre tra C=O e N-H.

Viene anche chiamato foglietto ripiegato perché si forma una struttura a zig-zag.

Si formano delle pieghe perché si hanno 2 dogmi su un vertice, un vertice e l'altro ci le legame peptidico e poi ci sono gruppi R che spungono verso alto o basso, nella direzione del vertice.

I segmenti possono essere:

• Parallelo: i segmenti di catena affiancati hanno direzione uguale, dal N-terminale a C-terminale.
• Antiparallelo: i segmenti di catena affiancati hanno direzione contraria e alternata.
• 1º seg.: N-terminale → C-terminale.
• 2º seg.: C-terminale → N-terminale.
• 3º seg.: N-terminale → C-terminale.

Antiparallelo: legame H ha massima forza e stabilità per gli atomi che sono allineati.

Parallelo: legame H non molto forte per allineamento scarso.

Ripiegamento β: struttura secondaria a segmento che a volte troviamo associata al β-foglietto antiparallelo, questa permette una inversione di 180°.

Può contenere prolina o glicina.