Biochimica

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Struttura delle proteine

Struttura delle proteine (da protos = primo = primi costituenti della materia organica).

Sono macromolecole formate da amminoacidi, dai quali dipendono le caratteristiche strutturali e funzionali, con struttura generale:

R (gruppo alchilico) - CH (alfa, carbonio 2) - COOH (gruppo carbossilico = gruppo principale; carbonio 1) NH2 (gruppo amminico).

Questi sono gruppi funzionali che danno le principali caratteristiche chimiche.

• Si chiamano L-amminoacido se NH2 è posizionato a sinistra; D-amminoacido se è posizionato a destra. ES: H2N – C1C2.
• Se c’è un – si è deprotonato (gruppo ossidrico) e dunque è un acido debole (tutti gli organici).
• Un acido forte invece libera H+ (acido cloridrico).
• Tutti gli amminoacidi presenti nelle proteine sono alfa-amminoacidi che appartengono agli L-amminoacidi.
• NH2 è infatti un gruppo basico che tende a ricevere H+ rilasciati (protonato).
• Polarità (idrofobe/idrofile): dipende dalla natura del gruppo R, da caratteristiche in più come la possibilità di formare legami.

R non polare, idrofobici

Alanina, valina, leucina, isoleucina.

Sono amminoramificati utilizzati per i muscoli.

Composta da gruppo nitrile (CH3).

Tutti questi amminoacidi sono di natura idrocarburica (C+H).

Sono quindi idrofobi (lontani dall’acqua).

Si legano principalmente a proteine globulari.

R polare ma non carico, un po’ idrofili

Glicina, serina, treonina, cisteina.

H CH2 HC-OH CH2OH CH2 SH.

Idrossimetile, idrossietile, tiolo (si trova nei capelli, per questo se bruciati odorano di zolfo).

Tirosina, asparagina.

CH2 CH2COH H2N O.

Ammide.

Sintetizza ormoni tiroidei.

R carico

R carico + (due+ una-) lisina, arginina, istidina.

R carico – (due- una+) acido glutammico, acido aspartico.

• Se in una catena poi si susseguono determinati amminoacidi la proteina assume una determinata struttura.
• 20 amminoacidi proteici (essenziali assunti attraverso il cibo/ non essenziali prodotti da cellule) + 150 non proteici (sono molecole organiche presenti dentro la cellula ma non all’interno delle proteine).
• Gli amminoacidi sono acidi e basi deboli con la stessa configurazione nelle proteine (L-amminoacidi) COO-H3N+ C HCH3.

Configurazione zwitterionica.

Sia gruppi acidi che basici ionizzati.

• 2 amminoacidi uniti da legame peptidico (dipeptide ecc.).
• Catene con 50-100 polipeptidi (ogni catena polipeptidica contiene tutte le informazioni per originare una proteina con struttura tridimensionale e funzioni definite), catene con 100+ proteine, catene al di sotto dei 50 oligopeptidi (ES. ossitocina formata da 8/9 aa).

Legame peptidico

Legame peptidico.

Gruppo C-O + H-N.

OH + H.

Fuoriesce H2O.

OC NH.

Legame peptidico (covalente, molto forte, oltre 100 cal/mol) di tipo carbo-ammidico.

• Per romperlo servono enzimi idrolasi che reintroducano H2O.

N-terminale C-terminale.

Livelli strutturali delle proteine

Struttura primaria

Struttura primaria (sequenza di amminoacidi legati tra loro con legame peptidico) è la più semplice ma dipendono tutte da lei, più alto è il livello di struttura più le funzioni della proteina sono complesse; l’informazione per la struttura primaria di una proteina è contenuta nella sequenza di basi del DNA ed è trasferita alla proteina attraverso processi di sintesi dell’mRNA (trascrizione) e della sua traduzione a livello della sintesi proteica.

ES: mioglobina (deposito di O); emoglobina (trasporto di O).

Struttura secondaria

Struttura secondaria (ripiegamenti locali e ripetitivi della catena polipeptidica, alfa elica/foglietto beta) forma legami a idrogeno intracatena (tra diverse parti della stessa catena) o intercatena (tra catene diverse).

• Alfa elica formano legami intracatena deboli (circa neanche 10 kcal/mol); è un’elica destrogira, in un giro completo ci sono 3,6 residui di amminoacidi che corrispondo ad un’unità di ripetizione (distanza) di 5,4 A e ad un grado di avanzamento di 5,4 : 3,6 = 1,5.

ES: cheratina dei capelli e delle unghie.

• Foglietto beta formano legami intercatena e la proteina assume questa conformazione perché sono presenti aa nella struttura primaria che sfavoriscono la formazione di un’alfa elica e quindi si formano i:

– Foglietti antiparalleli (amminico e carbossilico; quello di fianco il contrario e gli atomi che formano tra loro legami ad H si fronteggiano quindi i legami sono paralleli) la distanza tra due aa = 7A.

– Foglietti paralleli (amminico e carbossilico; entrambi però gli H non sono più paralleli ma sono il contrario) la distanza tra due aa = 6,5 A; formano una struttura a pieghe come tanti fogli uniti per il bordo longitudinale (cheratina della seta), le catene sono legate insieme da legami a idrogeno e da interazioni (forze di Van der Waals) che nonostante siano legami deboli si presentano in grande quantità e quindi conferiscono una certa robustezza.

• Struttura mista tra alfa e beta (foglietti beta all’interno, alfa-eliche esterne).

Struttura terziaria

Struttura terziaria tutte le proteine hanno questa struttura, è composta da gruppi idrofobici all’interno così non entra acqua ma all’esterno da idrofili; le catene possono essere legate da legami a idrogeno, ponti salini (legame ionico), interazioni idrofobiche e ponti disolfuro (legame covalente fra residui di cisteina).

ES: mioglobina (composta da 153 aa (globina) che lega un gruppo eme attraverso il quale la Mb lega una molecola di ossigeno, è per il 70% ad alfa-elica (8 alfa eliche) ma nel complesso è sferica/globulare); è una struttura tridimensionale non localizzata, un ripiegamento della catena polipeptidica (in struttura primaria) su se stessa.

Struttura quaternaria

Struttura quaternaria composta da più subunità proteiche (almeno 2) omodimeri (due subunità uguali) / eterodimeri (due subunità diverse), solo alcune ce l’hanno questa strutture; alcune proteine che aggregano alcune subunità proteiche in un unico complesso mediante forze ioniche o polari non covalenti; caratteristiche di questa struttura sono la cooperatività (le subunità cooperano tra loro e dunque il cambiamento conformazionale di una subunità determina il cambiamento conformazionale della subunità accanto) e l’allosterismo (quando le subunità rispondono a molecole diverse, che si legano in siti diversi, dal loro ligando principale).

ES: emoglobina (ha due coppie di proteine diverse ma uguali 2 a 2 con peso molecolare di 68000 che formano un tetramero).

3 classi di proteine

• Fibrose: “fibre”, forma allungata non tondeggiante, sono insolubili in acqua, sono costituite da un unico tipo di struttura secondaria e la terziaria è relativamente semplice, svolgono spesso ruoli strutturali (danno resistenza), rappresentano solo una piccola frazione delle proteine che si trovano in natura.

ES: cheratina, collagene, miosina, actina per i muscoli.

• Globulari: solubili in acqua (citoplasma/matrice), hanno una forma approssimativamente sferica e contengono più tipi di struttura secondaria, esiste una enorme varietà di loro strutture tridimensionali, quasi tutte contengono quantità rilevanti di alfa eliche e foglietti beta.

ES: enzimi, molti ormoni peptidici, emoglobina, nel plasma albumine (presenti in maggior quantità), globuline, fibrinogeno che contribuiscono alla pressione osmotica (la parte di essa dovuta solo a loro è detta pressione oncotica o colloidale e se si perdono possono causare ritenzione idrica) e al trasporto di ormoni e molecole non solubili.

• Di membrana: porzioni idrofobiche verso lo strato fosfolipidico e porzioni idrofiliche verso l’esterno e l’interno della cellula.

ES: perilipina che è a contatto con citosol (componente liquida e non strutturata del citoplasma nella quale sono immersi gli organuli cellulari e il citoscheletro) e lipidi all’esterno quindi presenta porzioni idrofiliche verso l’interno e idrofobiche verso l’esterno.

• La frazione della pressione osmotica dovuta solo alle proteine del plasma è definita pressione oncotica o colloidale (una diminuzione anche piccola di queste proteine causa significative ritenzioni di acqua nei tessuti); (il plasma contiene albumina in maggiore quantità, globuline in minore quantità, fibrinogeno importante per la coagulazione del sangue).
• Le proteine hanno molteplici strutture e dunque queste causano molteplici funzioni; se perdono la loro struttura causano patologie.

Queste funzioni sono

• Componenti strutturali (collagene ed elastina, nel tessuto connettivo, citoscheletro, pelle).
• Trasportatori (emoglobina per O2, CO2, H+; albumina per ormoni, acidi grassi, ecc.).
• Trasmettitori di messaggi (ormoni peptidici).
• Catalizzatori di reazioni chimiche (enzimi).
• Difesa contro i patogeni (immunoglobuline-Ab).
• Controllo e regolazione dell’espressione genica (istoni).
• Proteine dei sistemi contrattili (miosina).

Proteine fibrose

Proteine fibrose.

• Alfa cheratina.
• Fibroina (seta/tela del ragno).
• Collageno.

Caratteristiche generali

• Insolubili.
• Ruolo strutturale.
• Meccanicamente forti per resistere a qualsiasi tipo di tensione.
• Organizzate approssimativamente parallele ad un solo asse longitudinale.

Alfa cheratina

• Struttura ad alfa elica (legami a idrogeno intracatena; andamento destrorso).
• Due monomeri di alfa elica si uniscono in una struttura superiore (coiled coil = elica spiralata = due eliche avvolte l’una all’altra = microcorda; andamento sinistrorso).
• Due di queste si affiancano in modo sfalsato a formare un protofilamento con estremità n-terminale e c-terminale e con spessore 20-30 A.
• Due di questi si affiancano a loro volta in modo sfalsato formando una protofibrilla sempre per conferire maggiore robustezza.
• Le due eliche che si uniscono a formare il coiled coil interagiscono con amminoacidi idrofobici: alanina, valina, leucina ecc.
• 4 protofibrille per un totale di 32 filamenti di alfa cheratina si combinano a formare un filamento intermedio o microfibrilla.
• La resistenza delle proteine fibrose è aumentata da legami covalenti (i più forti) crociati tra le catene polipeptidiche, presenti all’interno dell’elica spiralata; i legami che stabilizzano la struttura quaternaria delle alfa cheratine sono ponti disolfuro (cisteine).
• Due forme: alfa cheratina soft (nella pelle, capelli, lana; con pochi ponti disolfuro quindi poco rigida) / alfa cheratina hard (negli artigli, becchi, unghie; con più del 18 % di cisteine impegnate in ponti disolfuro nelle più dure come il corno dei rinoceronti).
• Una volta conosciuta la struttura biochimica di queste proteine c’è anche un impegno estetico (permanente); (cisteina+acido tioglicotico+acido tiolattico che riducono i ponti disolfuro, diventano malleabili e si ha la piega, le cisteine che prima si frontavano sono disposte diversamente, con l’acqua ossigenata vi è un ossidazione e si riformano i ponti disolfuro tra proteine disposte diversamente e quindi cambiano la forma).

Beta fibroina / beta cheratina

• Proteina della seta, prodotta dagli insetti e dai ragni.
• Le sue catene polipeptidiche si trovano quasi esclusivamente nella conformazione beta e organizzate in foglietti.
• I foglietti beta sono disposti antiparalleli e sono uniti da legami a ponte di idrogeno tra catene polipeptidiche nel foglietto beta e da interazioni di Van der Waals tra foglietti differenti.
• La fibroina è ricca di alanina e glicina (amminoacidi con gruppo R più semplice, metile e idrogeno); questo fa sì che i foglietti rivolgano l’un l’altro gruppi molto piccoli che possono compattarsi meglio e quindi abbiamo più strati sovrapposti perfettamente.

Collageno

• È la proteina più abbondante nei mammiferi (25-30 % del totale delle proteine del corpo umano).
• È diverso nei diversi organi (sia come quantità percentuale ma cambiano anche le alfa eliche che lo compongono: fegato 4%; osso 23% con cristalli di idrossiapatite/idrossifosfato di calcio; cartilagine 50%; pelle 72%).
• Elevata resistenza alla tensione, insolubile e indigeribile (per bollitura delle carni viene irreversibilmente denaturato in gelatina, digeribile ma con valore biologico nullo o scarso mancando amminoacidi essenziali o scarseggiando di altri).
• Il collagene è prodotto da diversi tipi cellulari ma principalmente da fibroblasti (cellule del tessuto connettivo interstiziale), dalle cellule muscolari e dalle cellule epiteliali.
• È presente in un gran numero di varianti (30 varianti strutturali) per svolgere correttamente le sue molteplici funzioni.
• Il collagene di tipo I (pelle, ossa, tendini, vasi sanguigni, cornea) è la proteina più abbondante nei mammiferi e il principale componente del tessuto connettivo.
• Il tropocollageno è l’unità strutturale base del collageno a tripla elica allungata, ha un peso molecolare di 300000, ogni catena è costituita da circa 1000 amminoacidi di circa 30 tipi diversi quindi con proprietà diverse, ogni catena si ripete tre volte, il grado di avanzamento è 2,9 A, il passo 8,7-9 A e i residui sono 3, è in pratica un alfa elica allungata, qui ogni catena alfa ha meno legami a idrogeno dell’alfa elica, le tre catene sono tenute assieme da legami a idrogeno intercatena, le catene polipeptidiche sono avvolte tra loro in modo sinistrorso (non sono alfa eliche) avvolte su se stesse come una fune e tenute assieme da legami a idrogeno intercatena tra glicina di una catena e prolina dell’altra, l’avvolgimento è destrorso, la sequenza in amminoacido del collageno è notevolmente regolare (33% glicina, 52% prolina+OH-prolina, assenti cisteina e triptofano), la predominanza di prolina e glicina non consente conformazione alfa, per motivi di ingombro deve esserci un residuo di glicina ogni tre amminoacidi perché la glicina assicura il miglior avvolgimento delle tre eliche e quindi compattezza e resistenza, prova della resistenza della glicina si ha dalla osteogenesi imperfetta o sindrome delle ossa di vetro in cui una mutazione genica causa la sostituzione della glicina con cisteina impedendo il compatto avvolgimento delle eliche e provocando quindi gravi lesioni al connettivo soprattutto osseo (osteogenesi imperfetta/sindrome delle ossa di vetro che è dovuta a mutazioni del gene e può causare morte nei bambini prima ancora di nascere).
• Le molecole di tropocollageno si allineano in modo sfalsato e si dispongono in fibre parallele a formare fibrille, queste sono rinforzate da legami crociati tra i residui di lisina e sono intramolecolari (all’interno della molecola di tropocollageno) e intermolecolari (tra le molecole di tropocollageno nella fibrilla).
• Le fibrille a loro volta si uniscono in fasci ondulati o paralleli per formare fibre.
• Più fibre si uniscono in fasci di fibre.
• Le molecole a tripla elica di tropocollageno si affiancano con sfasatura regolare che conferisce l’aspetto striato a formare la fibrilla con la tipica struttura a fune che conferisce una notevole forza (le fibre di collagene nei tendini hanno resistenza alla tensione simile alla sezione di un filo di rame ben forgiato).
• Il collagene può subire delle modificazioni post-traduzionali:

Idrossilazione

Idrossilazione (prima della tripla elica) di prolina e lisina (avviene nel reticolo endoplasmatico) - si formano quindi idrossil-prolina e idrossil-lisina (si aggiungono oh).

Prolina: serve a stabilizzare la tripla elica, a consentire molecole stabili a 37 gradi, serve un enzima prolil-idrossilasi che richiede ione ferroso e vitamina C (senza questa la temperatura di fusione del collagene scende da 42 a 24 gradi (scorbuto = anomalia del collagene opposta a quella dell’osteogenesi imperfetta, perché la scarsa resistenza del tropocollagene è qui dovuta a difettosa coesione delle subunità per carenza di OHPro e non ad alterazione intrinseca; i sintomi principali sono lesioni epidermiche, fragilità dei capillari, difficoltà a riparare lesioni e ferite)) (infatti i legami a idrogeno servono ad aumentare la temperatura di denaturazione importante durante le infiammazioni (febbre)).

Lisina: serve per essere poi glicosilata (molecole di zucchero per formare altri legami a idrogeno), è reattiva nei legami crociati, serve l’enzima lisil-idrossilasi che richiede ione ferroso e vitamina C (se questa scarseggia si può avere lo scorbuto, ovvero lo sviluppo di lesioni nella pelle, nelle gengive e fragilità capillari con emorragie cutanee e profonde ma anche difficoltà a riparare lesioni e ferite perché viene colpito il collagene; è l’anomalia opposta a quella dell’osteogenesi imperfetta perché la scarsa resistenza del tropocollagene è qui dovuta alla difettosa coesione delle subunità e non ad alterazione intrinseca).

Lisina-oh glicosilazione

Lisina-oh glicosilazione (avviene sempre prima della tripla elica): all’idrossilisina vengono attaccate unità di glucosio e galattosio per azione di enzima glicosil- e galattosil-transferasi, il numero di unità di carboidrati varia a seconda del tipo di collagene e della rigidità richiesta, le varie catene del tropo collagene a entrambi i terminali hanno circa 100 amminoacidi detti telopeptidi, che poiché sono ricchi di cisteina formano numerosi ponti –S-S- che favoriscono l’assemblaggio delle catene pro-α che diventano punti di contatto dove è possibile l’avvolgimento delle catene, nella matrice extracellulare ci sono degli enzimi chiamati telopeptidasi che tagliano i peptidi compresa la cisteina, ecco perché nel tropocollagene non ce n’è più;

• Legami crociati tra i legami di lisina che è molto lunga e permette legami molto lunghi, sono formati dalla lisil-ossidasi che usa ioni rameici, sono collocati tra molecole adiacenti di tropocollagene nelle fibre del collagene e si instaurano fra la regione amminoterminale di una molecola e quella carbossoterminale di una adiacente, la loro importanza nel conferire resistenza al colla