Appunti Biochimica: esame Fondamenti biomolecolari della vita

I LIVELLI DI ORGANIZZAZIONE DI UNA PROTEINA:

- Una proteina può assumere molte conformazioni tridimensionali ma solo una o 18

poche di esse hanno attività biologica, esse sono dette “conformazioni native”.

- L’organizzazione strutturale di una proteina è responsabile della sua funzione =

per raggiungere la conformazione nativa una proteina deve assumere vari livelli di

struttura.

- Quando una proteina viene sintetizzata a livello del Reticolo Endoplasmatico, deve

quindi assumere la propria conformazione nativa, che può essere di varie tipologie:

1) STRUTTURA PRIMARIA:

- Livello più semplice = si tratta di una catena di amminoacidi.

- Vi è una sequenza di amminoacidi che formano la proteina, essa parte dall’estremità

N-terminale e si forma attraverso legami covalenti fra gli aminoacidi.

- Caratteristiche che definiscono la proteina = tipologie di amminoacidi impiegati, il loro

numero e il loro ordine di legame.

- La struttura primaria condiziona anche la conformazione spaziale tridimensionale che

le proteine assumono sia in ambiente acquoso che in quello lipidico (es. proteine di

membrana).

2) STRUTTURA SECONDARIA

- Definisce la conformazione di uno

scheletro carbonioso di tratti di

catena polipeptidica si organizzano in modo ripetitivo nello spazio = vi è quindi un

ripiegamento locale dello scheletro polipeptidico che può assumere due tipologie di

forme:

a) Alfa (α) = alfa-elica (struttura che si serve di ponti a idrogeno)

b) Beta (β) = a pieghe o β-foglietto (struttura che si serve di ponti a idrogeno)

c) Random coil (dall’inglese: “gomitolo/spirale casuale”) = non è presente in

nessuna proteina nativa, si tratta di una struttura disorganizzata e flessibile che si

può ottenere solo in laboratorio.

3) STRUTTURA TERZIARIA

- La catena proteica si organizza ripiegandosi nello spazio in modo tridimensionale, si

possono quindi osservare sia regioni che presentano catene ordinate in strutture

ripetitive e organizzate, sia prive di regolarità.

- Per la formazione di questa struttura vengono a crearsi interazioni fra aminoacidi che

si trovano in posizioni anche lontane nella sequenza amminoacidica = questi legami

riguardano spesso i gruppi R e in particolare si servono della loro polarità.

- La struttura terziaria viene stabilizzata attraverso 4 tipi di interazioni:

a) Interazioni idrofobiche: gli amminoacidi con catene laterali non polari tendono a

localizzarsi all’interno della molecola dove si associano con altri residui idrofobici (es.

proteine di membrana della membrana cellulare).

b) Interazioni ioniche: i gruppi con carica negativa possono interagire con gruppi

carichi positivamente (es. COO- e NH3+).

c) Legami a idrogeno.

d) Legami disolfuro.

➔ La catena polipeptidica si stabilizza soprattutto mediante interazioni idrofobiche

interne alla molecola e da interazioni deboli (es. legami a idrogeno, interazioni 19

ioniche) sulla superficie della molecola.

4) STRUTTURA QUATERNARIA

- È tipica delle proteine che sono costituite da più catene polipeptidiche, le quali si

organizzano nello spazio = più subunità proteiche possono infatti associarsi e

formare dimeri, trimeri, tetrameri (es. emoglobina che presenta 4 strutture globulari

costituite unicamente da alfa-eliche) = queste subunità interagiscono grazie ad

interazioni non covalenti (es. legami a idrogeno, legami ionici e interazioni

idrofobiche).

- La conformazione tridimensionale di una proteina dipende:

a) Dalla sequenza degli amminoacidi: essendo le catene laterali degli amminoacidi di

natura chimica diversa, le interazioni tra di essi si formeranno a seconda del loro

ordine nella catena polipeptidica.

b) Dalla concentrazione degli ioni e dal pH della soluzione in cui si trova.

- In ambiente acquoso la proteina assume una conformazione tale da disporre tutti i

gruppi R idrofilici verso l’esterno e quelli idrofobici all’interno

➔ NB: la struttura secondaria, terziaria e quaternaria dipendono dalla struttura

primaria, esse si basano infatti su interazioni deboli non covalenti (es. legami

idrogeno e interazioni idrofobiche).

LA STRUTTURA AD α-ELICA: 20

- Lo scheletro della proteina è arrotolato intorno ad un asse

immaginario, l’elica è stabilizzata grazie a legami a idrogeno che

si formano tra l’ossigeno del carbonile (C=O) di un legame

peptidico e l’idrogeno amminico (-NH2) di un legame peptidico

situato a una distanza di 4 aminoacidi.

- La struttura ad alfa-elica presenta le seguenti caratteristiche:

1) 3.6 residui per giro

2) Destrorsa (senso orario)

3) I gruppi R degli amminoacidi sporgono verso l’esterno

dell’elica.

- Tutti gli NH e i C=O dei legami peptidici sono impegnati in legami a

ponte di idrogeno = ciò dona stabilità all’alfa-elica.

IL FOGLIETTO β: - Si tratta di una conformazione più estesa (in cui

vengono coinvolti almeno 5-10 aminoacidi) che viene

stabilizzata mediante legami a idrogeno = questi

legami a idrogeno si formano tra l’idrogeno (che si

trova legato all'azoto nel legame amminico) e

l’ossigeno (facente parte del gruppo carbonilico) di

legami peptidici di segmenti adiacenti = questi legami

a idrogeno sono perpendicolari allo scheletro/asse

della proteina, viene quindi a crearsi una struttura a scala a pioli molto stabile, fatta

di elementi sequenziati.

- Delle porzioni di proteina sono quindi unite e bloccate da questi legami a idrogeno.

- FORMA: la proteina presenta un andamento a zig zag, i beta sheet sono infatti

"pieghettati” = i carboni alfa del legame si alternano tra sopra e sotto il piano del

foglio.

- Possono essere paralleli o antiparalleli e si possono formare tra segmenti di una

stessa catena polipeptidica o tra segmenti di catene diverse

IL PONTE DISOLFURO: - Legami molto presenti sia nella struttura

terziaria, sia nella quaternaria.

- Legame covalente che si forma tra i gruppi

SH (gruppo tiolico) di due cisteine, le quali

possono essere anche molto lontane nella

stessa catena polipeptidica o addirittura

appartenere a due diverse catene = in

condizioni redox appropriate si avvicinano e

formano un legame tra i due zolfi (S-S).

- La forma ossidata si ha quando non sono più

presenti atomi di H.

- Questo tipo di legame è presente anche nella cheratina = nel momento in cui

aggiungo agenti ossidanti e pongo i bigodini sul capello sto ricombinando e

riorganizzando i ponti disolfuro presenti. 21

LE PROTEINE IN AMBIENTE ACQUOSO:

- Ambiente acquoso = forza trainante che porta la struttura proteica

“unfolded” a essere “folded” (strutturata, piegata) attraverso un

percorso cooperativo che dura pochi millisecondi.

- In ambiente acquoso la proteina assume una conformazione tale da

disporre tutti i gruppi R idrofilici verso l’esterno e quelli idrofobici

all’interno.

- In ambiente idrofobico le proteine integrali di membrana

contengono delle sequenze continue (di circa 15 amminoacidi o più)

di amminoacidi non-polari che si inseriscono nel doppio strato

lipidico della membrana, in questi casi, i gruppi R idrofobici degli

amminoacidi possono stabilire interazioni idrofobiche con le code lipidiche dei

fosfolipidi di membrana e assumono una conformazione più lineari di tipo elicoidale.

PROTEINE: PROCESSO DI FOLDING E PATOLOGIE DA UNFOLDING:

- Il polipeptide dopo la sintesi proteica, fluttua in ambiente acquoso in una forma

definita “nascente” per poi assumere istantaneamente la forma strutturale

definitiva, chiamata “nativa” = l’assunzione della forma nativa è un fenomeno

cooperativo istantaneo (che richiede infatti pochi millisecondi), favorito dalle

interazioni idrofobiche delle catene laterali degli aminoacidi che si collocano

internamente (es. all’interno della membrana cellulare), lontano dall’acqua, dai

legami deboli che si instaurano fra le catene laterali polari e dai ponti disolfuro

instaurati fra residui di cisteina = grande stabilità.

- In molti casi l’assunzione della struttura terziaria e quaternaria è guidata da proteine

di accompagnamento di strutturazione chiamate chaperon molecolari che

impediscono percorsi di strutturazione scorretti = vengono molto studiate e utilizzate

in ambito farmacologico.

- Alcune patologie derivano da proteine che non sono in grado di raggiungere la loro

struttura funzionale e che tendono a formare grossi aggregati (dette fibrille o forme

amiloidi) = es. Alzheimer, Parkinson, encefalopatia spongiforme e diabete di tipo II.

LE PROTEINE:

- Ve ne sono di più tipologie:

1) FIBROSE:

- Hanno catene polipeptidiche disposte in modo lineare in lunghi fasci o in foglietti.

- Presentano struttura primaria, ma in genere presentano un unico tipo di struttura

secondaria.

- Sono insolubili in acqua per la presenza di elevate concentrazioni di aminoacidi

idrofobici.

- Le catene polipeptidiche si associano in complessi sopramolecolari in modo da

nascondere al solvente le superfici idrofobiche.

- Sono adatte a ruoli strutturali (es. cheratina, collagene)

2) GLOBULARI:

- Le catene polipeptidiche si ripiegano e la proteina assume struttura pseudosferica.

Presentano struttura primaria, secondaria terziaria ed in alcuni casi quaternaria. 22

IL COLLAGENE:

- Costituisce il 25% del totale delle proteine del corpo umano, si tratta infatti di una

proteina di riempimento molto presente nella matrice extracellulare e in diversi tessuti

connettivi (es. tendine, umor vitreo dell’occhio).

- Si tratta di una proteina fibrosa con funzione di sostegno dalla composizione

⅓

amminoacidica particolare = circa degli amminoacidi che la formano sono glicina

(struttura: glicina-x-y), si tratta di un amminoacido molto piccolo e semplice e per

questo motivo è presente in grandi quantità.

- Assieme alla glicina sono inoltre presenti l’idrossiprolina e in minor quantità

l’idrossilisina = formazione di una struttura secondaria a spirale.

- La struttura secondaria ad elica è diversa dall’alfa-elica classica, vi è infatti un

avvolgimento sinistrorso con tre residui amminoacidici per giro.

IL TROPOCOLLAGENE:

- Tre catene polipeptidiche si avvolgono a formare una tripla elica

destrorsa, il tropocollagene.

- Il tropocollagene è una struttura elicoidale superavvolta (“coiled-

coil”) = importante componente è la glicina (in rosa), che, date le sue

piccole dimensioni, si trova all’interno della tripla elica.

- La struttura della triplice elica è stabilizzata da legami di idrogeno

intermolecolari fra i gruppi NH- e CO del legame peptidico delle tre

catene polipeptidiche e dalla presenza di prolina e idrossiprolina =

sono aminoacidi ciclici rigidi che limi