Le proteine

Proteine

Le proteine sono molecole polimeriche con monomeri di tipo amminoacidico legati nella struttura attraverso legami ammidici, detti legami peptidici.

Chiamiamo peptidico un polimero di questo tipo formato dalla condensazione di amminoacidi. Chiamiamo proteina quel polipeptide con struttura e funzionalità specifiche.

• Funzione catalitica (enzimi).
• Funzione di accumulo/trasporto (emoglobina, mioglobina): legare e trasportare molecole.
• Funzione strutturale (collagene): struttura e stabilizzazione cellule, vasi, tessuti.
• Funzione motrice (miosina): couselierà di segnali chimici in locomozione.
• Funzione di decodifica genetica (ribosomi): traduzione dell'informazione in DNA RNA.
• Funzione regolatoria (ormoni): segnali per l'attivazione di processi biochimici.
• Funzione immunitaria (anticorpi): riconoscimento e interazione con antigeni.

La struttura chimica delle proteine, quindi dei peptidi, è basata su monomeri specifici detti α-amminoacidi.

• Gruppo amminico e gruppo carbossilico legati allo stesso carbonio.
• R: gruppo funzionale specifico per ogni amminoacido.

Gli amminoacidi comuni sono 20 e costituiscono la maggioranza delle strutture polipeptidiche; il numero di proteine formabili è potenzialmente ∞.

Possono essere classificati in base al loro gruppo funzionale R:

• AA. alifatici: catene alchiliche idrofobiche polari.
• AA. aromatici: catene aromatiche, iterazioni π-π tra anelli.
• AA. alcoli: catene con -OH e legame a → gruppo polare.
• AA aminici: catene con gruppi basici, si possono protonare → cationici.
• AA solforati: catene con gruppi -S-~-R polari ma non danno legame a stabilimento a causa delle reazioni di ossidazione con la formazione di legami a ponte di zolfo.
• AA acidi/derivati: catene con gruppi: -C^α =O carbossilici, spesso a dissociar generando anioni.

Nella nomenclatura il nome degli AA può essere sostituito con il corrispondente simbolo, 3 lettere, e con una lettera (lisina = LYS = K).

8 dei 20 AA standard, 8 non possono essere prodotti metabolicamente e devono essere assunti con la dieta. Sono detti essenziali.

Proteine e funzioni

Sono molecole polimeriche con monomeri di tipo amminoacidico legati nella struttura attraverso legami ammidei, detti legami peptidici. Chiamiamo peptide un polimero di questo tipo formato dalla condensazione di amminoacidi. Chiamiamo proteina quel polipeptide con struttura e funzionalità specifica.

• Funzione catalitica (enzimi).
• Funzione di accumulo/stoccaggio (emoglobina, mioglobina): legare e trasportare molecole.
• Funzione strutturale (collagene): strutturare e stabilizzare cellule, vasi, tessuti.
• Funzione motrice (miosina): coadiuvante di segnali chimici in locomotore e meccanico.
• Funzione di decodifica genetica (ribosomi): traduzione dell'informazione da DNA a RNA.
• Funzione regolatoria (ormoni): segnali per l'attivazione di processi biochimici.
• Funzione immunitaria (anticorpi): riconoscimento e interazione con antigeni.

La struttura chimica delle proteine, quindi dei peptidi, è basata su monomeri specifici detti α-amminoacidi: ₂N-C-H.

• Gruppo amminico e gruppo carbossilico legati allo stesso carbonio.
• R: gruppo funzionale specifico per ogni amminoacido.

Gli amminoacidi comuni sono 20 e costituiscono la maggioranza delle strutture polipeptidiche; il numero di proteine formabili è potenzialmente ∞.

• AA. alifatici: catene alchiliche lipofile apolari.
• AA. aromatici: catene aromatiche + interazioni π-π tra anelli.
• AA. alcool: catene con -CH e legame al gruppo polare.
• AA amminici: catene con gruppi basici—si possono protonare — cationici.
• AA solforati: catene con gruppi -S-H/R—polari ma non danno legame a H. Possono dare reazioni di ossidazione con la formazione di legami a ponte di zolfo -SH SH₂ -S-S-_S_.
• AA acidi/derivanti: catene con gruppi -^°CH^°carbossilici, possono dissociare generando anioni.

Nella nomenclatura il nome degli AA può essere sostituito con il corrispondente simbolo (3 lettere) e con una lettera (lisina = LYS = K).

Dei 20 AA standard, 8 non possono essere prodotti metabolicamente e devono essere assunti con la dieta. Sono detti essenziali.

Enantiomeri e dissociazione acida

Tutti gli AA hanno un carbossilo e chiral, ad eccezione della glicina.

Enantiomeri

I due enantiomeri vengono associati alla struttura della gliceraldeide.

D-gliceraldeide     L-gliceraldeide.

La nomenclatura D/L è associata al carbonio e ma non direttamente alla sua chiralità (R/S, diverso dello zucchero polarizzato).

Tutti gli amminoacidi nelle proteine sono isomeri (enantiomeri) di tipo L per selezione evolutiva. In ogni organismo vegetale/animale sec.

Tutti gli AA liberi sono caratterizzati da almeno due eq. di dissociazione acida:

• 8,8 < pK_NH2 < 10,2 (principalmente α pH basici).
• 1,8 < pK_COOH < 2,4 (α pH acidi).

Secondo l'equazione di Henderson-Hasselbalch:

K_a = [BASE C] [H₃O⁺] / [ACIDO C].

[BASE C] = specie deprotonata.

[ACIDO C] = protonata.

pH = pK_a + log [BASE C] / [ACIDO C].

Quindi ai diversi pH che possiamo incontrare avremo:

• Forma cationica.
• Forma neutra     forma anionica.

La forma neutra si dice anche ione dipolare o zwitterione, è la forma predominante a pH fisiologico di ~ 6,4 - 7,4.

Vi sono degli AA con funzionalità in catena laterale con carattere acido/base:

• TYR (tirosina) → pKa = 10,5.
• CYS (cisteina) → pKa = 8,4.
• HIS (istidina) → pKa = 6,0.
• LYS (lisina) → pKa = 10,5.
• ARG (arginina) → pKa = 12,5.
• ASP (acido aspartico) → pKa = 3,9.
• GLU (acido glutammico) → pKa = 4,1.

Le forme ioniche presenti a diversi pH dipenderanno dai valori di tutte e 3 le Ka.

Es: acido glutammico.

Il particolare valore di pH nel quale la specie predominante è lo zwitterione è detto punto isonico o punto isoelettrico.

Si può determinare come media matematica dei due valori di pKa che "chiudono" la specie dipolare.

pH_IE = _{pKaCOOH+pKaNH2} / 2.

Per tutti gli AA che non hanno gruppi acidi/basici in catena laterale.

Quando gli AA si legano, per condensazione, a formare un peptide (legame ammidico → legame peptidico) si perdono i gruppi –COOH e –NH₂ → –C– (ma le proprietà acido/base!).

Le proprietà ioniche al variare del pH saranno legate esclusivamente ai gruppi in catena laterale.

Formano eccezione i due AA terminali che manterranno:

• NH₃⁺ = residuo N-terminale (1^o residuo).
• C = residuo C-terminale (ultimo residuo).

Struttura primaria e legame peptidico

Struttura primaria: l'ordine nel quale i residui amminoacidici sono legati tra loro dall'N-terminale al C-terminale.

Legame peptidico

• Struttura planare → per risonanza non è possibile rotazione.
• Cis/trans isomero preferito per minori ingombro sterico.

Residuo amminoacidico

Il loro nome è dato dal nome.

Amminoacido → -ile/acido → -ato.

Con 3 eccezioni:

• Cisteina → ile.
• Glutammina → ile.
• Asparagina → ile.

La sintesi peptidica procede per condensazione di ciascun singolo AA sulla catena in crescita (ad _o chimica).

Sintesi chimica e determinazione della sequenza

La composizione di un polipeptide può essere determinata per completa idrolisi di tutti i legami peptidici, seguita dalla separazione cromatografica degli amminoacidi.

*Alcuni aa vengono idrolizzati chimicamente come questi cui gruppi amminici vengono idrolizzati da acidi.

Una volta scorporata la catena, gli AA liberi vengono portati a pH debolm. acido (≈5-6 pH) e passati in una colonna con una fase stazionaria a scambio ionico.

Mistera di AA in provetta.

(Precipit) gli AA separati vengono raccolti & analizzati.

Si alza progress. il pH della soluzione; per primi scendono gli AA (piccola pk_ac).

Gli aa raccolti vengono in genere convertiti in forme colorate caratteristiche, analizzabili con tecniche spettroscopiche, per reazione con il reattivo ninidrina.

E vale per tutti gli aa tranne prolina che crea un pigmento giallo.

Per determinare la struttura primaria, cioè l’ordine di sequenza di ogni aa nel peptide si opera con degradazione di Edman.

• Si fa reagire il polipeptide con il reattivo di Edman.
• Si fa reagire il peptide in condizioni tali da far convertire solo il aa N-term.

Quindi si pone il peptide a pH>9 in presenza di PITC si ha la reazione con il gruppo amminico libero del residuo N-terminale: (può essere centrifugat.).

Trattando con acido forte CF₃–COOH (TFA) si rompe il 1^o seguente peptide.

Poi che la degradazione avrà una rendimento completo ad ogni ciclo, in genere al succedere del 10^o di residui cresce 1^o o 2^o in terperine da parte di catene che esagerate non più precedenti...

Per evitarlo si analizzano solo peptidi di dimensioni ridotto (residui ≤ 100) (o loro volta ottenuti per parziale idrolisi della proteina Θ grande con l'aiuto di enzimi opportuni).

La struttura di un polipeptide può essere definita a più livelli di complessità.

Livelli di struttura delle proteine

Struttura primaria

Ordine di catene lunghe dei residui come identificati colonna da Sanger, di Edman.

Struttura secondaria

Struttura ordinata a corto raggio con int. di legami di H tra gruppi peptidici lungo la catena/tra code.

Struttura terziaria

Struttura tridimensionale e finale del polipeptide. Struttura nativa basata da interazioni tra gruppi funzionali degli aa.

Struttura quaternaria

Struttura formata dall'unione attraverso legami deboli di subunità uniti covalentemente.

• Interazione idrofobiche: lista tra gruppi laterali apolari.
• Legame H: tra i gruppi con funzioni polari o con OH NH₂CO.
• Interazioni ioniche: tra gruppi carichi in ambiente fisiologico.
• Interazioni covalenti: tra seguenti di cisteina: (*diagramma*).

Strutture secondarie

Si ottengono attraverso interazioni di parte a parte da una risovamento della catena (†(ϕ),ф PHI).

ā elica

Struttura ad elica periodica destrosa.

L’elica è resa stabile da interazioni di parte a parte con gruppi peptidici lungo la stessa catena.

Il passo corrisponde a 3,6 residui ed è lungo 0,54 nm.

L’intervallo corrisponde a 13 atomi dei quali interagenti.

Il passo della г elica 3,6/13.

Il gruppo B laterali puntano verso l’esterno conferendone le interazioni che portano alla struttura terziaria.

β foglietto

Struttura a filamenti della catena che permette di esporre lateralmente i legami peptidici per formare ponti a (H) con catene diverse o su parti diverse del polipeptide.

Formato dal legame a (H) esteso tra filamenti appaiati.

Passo 0.34 nm.

Le strutture dei filamenti possono appaiarsi in modo parallelo o antiparallelo.

Parallelo

La geometria dei legami peptidici non permette una interazione di ponte a (H) diretta - (H) deboli.

Antiparallelo

La geometria consente una direzionalità ideale ai gruppi del legame peptidico x fornire legami a (H) più stabili.

Le singole strutture secondarie possono interagire tra loro attraverso interazioni deboli e formare strutture o complexes dette supersecondarie.

Sono in genere formate dall'interazione di più strutture secondarie consecutive verso una catena e separate da tratti poco organizatti.

Dicitura della anse indica di residui che permettono rispettiva inversione di catena dei.

La anse indica di residui che permettono rispettiva inversione di catena.

Le strutture super secondarie comuni nelle proteine prendono il nome di motivi.

Definire comino la parte definita di una proteina, in genere caratterizzata da una particolare struttura supersecondaria, con una funzione specifica.

L'insieme di tutti i domini e strutture secondarie e supersecondarie darà la struttura terziaria (nativa).

Folding, struttura nativa e denaturazione

Tra tutte le illimitate possibilità conformazionali dell'intera catena peptidica, ve ne è uno soltanto a O stadio che mostra se essa funzionalità (attiva).

La formazione della struttura terziaria avviene per avvolgimento della struttura primaria spinto dalla sua stabilizzazione —> folding: avviezione della struttura nativa stesso la biosintesi del polipeptide.

La stabilizzazione della nucelca m struttura nativa a opera di:

• Effetto idrofobico - effetto eutrofico - Ast da parte di H₂O espulsa.
• Interazioni deboli - (effetto eutalifico — ΔH₁ per la stabilizzazione dei legami inter/intra-catena.

All'interno della cellula spesso il folding viene favorito da spei dedicati all'interno di proteine O protei dette Hutmin molecolari, shapertoni molecolari.

Il processo inverso al folding e sa denaturazione: perdita, anche solo parziale, della struttura terziaria/lo secondario e quinu della funzionalità della cellulela.

La denaturazione avviene con la rotture delle interazioni deboli che tengou assieme la struttura secondarie/terxturia.

• Riscaldamento (energia termica)—rottura generale dei legami deboli.
• Trattamento chimico—con sdotai che poxono inteferein nei legauii a O peptidicà.
• Agenti caotrofici ⁺NH₂ClOHN⁺ NH₂ urea HN⁺NH₂ cloruro di guanidinio—con soluzie due poessou ridurre i leganiii di partc disuftu.

Per mettere in luce l'importanza delle strutture secondaria e terziaria di una proteina. Si può eseguire l'esperimento di Anfinsen su una proteína modello: ribonucleasi.

Struttura destrorsa globulare.

È la sua struttura nativa (attiva).

Nella denaturazione perde la sua struttura e con essa la sua funzione (inattivazione).

Caratterizzata da interazioni deboli e 4 ponti disolfuro.

• Urea rompe i legami deboli.
• 2-mercapto etanolo riduce i ponti (port)-S-S-)2-SH + SH-.

La forma aperta della proteina è complet. inattiva.

Quando elimino il 2-mercapto etanolo si riformano ponti di disolfuro.

La struttura 3D aurora ricostituita.

Quando elimino anche agente caotropico la struttura si riforma.

Osserv.:

• Il processo di denaturazione è reversibile.
• La struttura attiva si forma per destino controllato di purita.

Proteine globulari e fibrose

Le strutture terziarie delle proteine si possono classificare in 2 categorie:

Proteine globulari

Struttura compatta (gruppi idrofobi all’interno) gruppi idrofili all'esterno.

Mioglobina e emoglobina (funzione di accumulo e trasporto di O₂ nel sangue e nei tessuti muscolosi).

Proteine fibrose

Struttura lineare e con un’orientazione preferenziale (in genere con β catene allineate che danno un’interazione laterale).

Collagene (funzione strutturale, costituisce il tessuto connettivo e la parte proteica di tendini, cartilagini e ossa).