Biochimica

BIOCHIMICA

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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 chiamo l-amminoacido se NH2 è posizionato a sinistra; d-amminoacido se è posizionato

a destra ES: H2N – C1

C2

- 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-ammino

- 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 CH2

OH CH2 SH

idrossimetile idrossietile tiolo (si trova nei capelli, per

questo se bruciati odorano di S

zolfo))

tirosina asparagina

CH2 CH2

C

OH H2N O

ammide

sintetizza ormoni tiroidei

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 H

CH3

configuraz. 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

gruppo C-O + H-N

OH + H

fuoriesce H2O

O

C N

H

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 (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 (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 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 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

-alfa cheratina

-fibroina (seta/tela del ragno)

-collageno

CARATT. 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 si 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 sopratutto 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 (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 (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 poichè 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