Chimica biologica (Modulo 1: struttura e funzione delle proteine)

I legami a idrogeno sono perpendicolari all’asse dei filamenti e giacciono sul

 piano del foglietto β.

Si instaurano tra il C=O e l’N-H di catene adiacenti.

Le catene laterali sono disposte sopra e sotto il piano del foglietto

 16

Proteine con sola struttura secondaria

Hanno struttura regolare e filamentosa; funzione meccanica e strutturale (di

sostegno).

Cheratine

α-cheratine

Sono presenti in tessuti di sostegno (peli, capelli,

unghie, corna, piume…) e nei cheratinociti (cellule

epiteliali dell’epidemide).

Proprietà:

Insolubilità in acqua: alto contenuto di amminoacidi idrofobici

 Resistenza meccanica: presenza di ponti disolfuro

 Inestensibilità: elevato numero di ponti disolfuro

 tra cisteine (11% di Cys) si formano legami

crociati

Sono formate da 300 residui che hanno quasi

esclusivamente una struttura ad α-elica, ad eccezione di

una piccola estremità globulare (lunghezza eliche: 50

nm). Le eliche sono attorcigliate a due a due con

sinistrorso

andamento a formare supereliche (o elica

superavvolta, o coiled coil). A loro volta le supereliche si

avvolgono tra loro a formare fasci sempre maggiori:

protofilamenti (che si legano tra loro sfalsati in modo da

non avere punti deboli) e protofibrille.

β-cheratine

Ad esempio, la fibroina: componente base della seta.

Costituita da un foglietto β

antiparallelo

Ha una sequenza ripetitiva:

Glicina una ogni due residui

 (44,6%)

L’altro residuo è:

 2

l’alanina delle volte

o 3

(29,4 %) 1

serina delle volte (12,2 %)

o 3

le catene laterali sporgono sopra e sotto al piano del foglietto β. Quelle delle glicine

tutte da un lato, quelle di alanina e serina tutte dall’altro.

In questo modo i piani si dispongono uno sopra all’altro e le catene si interdigitano

creando interazioni di Van Der Waals, che stabilizzano.

La distanza dei piani sul lato delle glicine è di 0,35 nm; sul lato di Alanine e Serine è di

0,57 nm. 17

Proprietà:

Insolubilità in acqua: costituita da amminoacidi apolari (idrofobici)

 Resistenza meccanica: foglietto β è una struttura estesa, non si può allungare

 molto più di così

Scarsa estensibilità: foglietto β. Anche se leggermente estensibili:

 vengono introdotti nella sequenza pochi amminoacidi con catena laterale

voluminosa (Val, Tyr) in regioni ripiegate compattamente frapposte ai foglietti β

Flessibili: le interazioni di Van Der Waals offrono molta resistenza al

 piegamento

Tropocollagene

Il tropocollagene è la componente fondamentale del collagene. In

1

un mammifero è delle proteine totali. È presente in: tendini,

3

matrice delle ossa, cartilagini …

Ha solo struttura secondaria, è fibrosa ed ha funzione meccanica.

La struttura secondaria è unica.

È formata da 3 catene

 polipeptidiche

1˙000 residui ciascuna

o 95 kDa peso molecolare di ciascuna catena PM (tropocollagene) = 285



o kDa

(è ricca di amminoacidi a basso peso molecolare)

Lunghezza = 260 nm; diametro = 1,5 nm le catene sono molto stirate e

o compatte tra loro

L’andamento leggermente sinistrorso delle singole catene e destrorso

 della catena composta permette la massima compattezza delle catene,

fondamentale per creare legami a idrogeno tra singole catene distinte

(perpendicolari all’asse)

La regolarità delle glicine (1 ogni 3 residui) è necessaria per la

 compattezza che serve a formare i legami a idrogeno. Ogni 3

amminoacidi si forma un legame a H. Ogni 3 amminoacidi le catene sono

talmente vicine che c’è spazio solo per la glicina.

Scarsa estendibilità: è già una struttura piuttosto estesa numero di

o residui per giro = 3,3

L’abbondanza (30%) di prolina (sempre successiva alla Glicina) garantisce

 la corretta conformazione, poiché la sua catena laterale ingombrante si

può disporre solo all'esterno modificazioni

4-idrossiprolina e 5-idrossilisina, sono proline e lisine con

 post-traduzionali: idrossilata la prolina, glicosilata la lisina), hanno gruppi

ossidrili che sono fondamentali per la resistenza meccanica

4-idrossiprolina (sempre due posizioni dopo la Gly)

o L’idrossilazione è data da un enzima che funziona

2+

ossidando Fe (prolina idrossilasi). Nel processo è utile

3+

la vitamina C che riduce il Fe , in assenza di questa si

ha una malattia: lo scorbuto

Utilità:

Ipotesi 1: i gruppi ossidrili formano legami a H tra

 fibre vicine 18

Ipotesi 2: i gruppi ossidrili conferiscono una

 determinata conformazione alla prolina, indispensabile

per la stabilizzazione della tripla elica

5-idrossilisina: si attaccano ad -OH componenti

o glicosaccaridiche, utili per la corretta formazione delle fibre

Le lisine presenti vengono ossidate (ad aldeide -CHO) e reagiscono

 con gruppi di altre lisine, si formano quindi legami

-amminici

crociati che uniscono le estremità N-terminali e

C-terminali di molecole adiacenti. Testa contro

coda. Le molecole sono sfalsate di ¼ rispetto la

lunghezza delle file adiacenti, diminuendo così i

punti deboli. 19

Legami

crociati tra

lisine 20

Reazioni ossidoriduttive

Sono reazioni in cui avviene il passaggio di elettroni da

un composto ad un altro.

Numero di ossidazione: è la carica che quell’atomo

nella molecola avrebbe se i legami covalenti fossero

ionici (se si prendesse tutti gli elettroni l’atomo più

elettronegativo)

Algoritmo:

Individuare la specie chimica che si ossida (aumenta N

di ossidazione) e quella che si riduce (diminuisce N

ossidazione)

1. Dividere in red e ox.

1.1 Bilanciare la massa degli atomi che

cambiano numero di ox. (attenzione ai

coefficienti stechiometrici) -

2. Aggiungo un numero opportuno di elettroni (e )per

“giustificare” red e ox

+

3. Aggiungo ioni H per bilanciare la carica

4. Aggiungo H O per bilanciare H e O

2 -

5. Moltiplico per dei coefficienti red che ox in modo che e ceduti e ricevuti siano

uguali

Ponti disolfuro

-1

-2 -2 -1 -2

0

I ponti disolfuro sono legami covalenti che si instaurano tra le cisteine.

L’ossidazione delle cisteine richiede un ambiente ossidante; all’interno delle cellule

c’è poco ossigeno rispetto all’esterno: le proteine intracellulari non hanno ponti

disolfuro. Sono nelle proteine destinate alla secrezione.

Stabilizzano l’α-cheratina, che è intracellulare ma in cellule morte.

Per romperli è necessario un

ambiente riducente. 21

III. Struttura terziaria

È l’arrangiamento spaziale degli aminoacidi di

una singola catena polipeptidica a formare la

sua struttura tridimensionale a domini.

Contengono elementi di strutture secondarie e

tratti ad andamento regolare: anse e tratti che

uniscono domini. interazioni a lungo raggio

Sono prodotte dalle

tra le catene laterali di residui lontani nella

catena peptidica.

Le proteine globulari solubili hanno al loro interno gli amminoacidi e i domini idrofobici,

questo garantisce la stabilità della conformazione. Le proteine integrali di membrana:

il contrario.

Tutto α



Composte solo da α-eliche (80%) e anse.

Ad esempio: le globine. I domini idrofobici sono

all’interno Tutto α

L’ α-elica favorisce la compattazione.

Tutto β



Foglietti β antiparalleli connessi da anse che collegano i filamenti

vicini dallo stesso lato. Barile β

I Barlili β sono formati da foglietti β che non giaciono su un piano, ma

contornano uno spazio centrale (come i listelli di una botte). Sandwich

Se il “barile” è composto solo da due foglietti si chiama struttura a

sandwich.

Possono anche giacere su un piano

Struttura α/β



Foglietti β paralleli connessi da un ansa,

un α-elica e una seconda ansa.

Possono formare barili α/β (ripieni di catene

laterali) o strutture a sella (su un piano Struttura

ripiegato).

a sella

Barile α/β α + β

22

Strutture α + β



Foglietti β antiparalleli e α-eliche in domini distinti della molecola.

23

Anse (= loop)

Le anse sono regioni di ripiegamento che connettono domini adiacenti di una

catena polipeptidica o regioni interne di uno stesso dominio nelle proteine

Sono composte in larga prevalenza da residui polari

 Sono sulla superficie delle proteine

 Lunghezza variabile: 4-12 residui

 Hanno elevata flessibilità conformazionale (capacità di oscillare sotto la

 spinta energetica data dall’agitazione termica)

Non sono semplici tratti di connessione: molte di esse contengono residui che

 hanno un ruolo chiave nella funzione della proteina (ad esempio negli

anticorpi)

Ripiegamenti β (β turns)

Sono anse estremamente brevi e compatte che

connettono due foglietti β antiparalleli

consecutivi.

Struttura: 4 residui che comportano un’inversione

completa. Legame a idrogeno tra C=O del primo

residuo e N-H del quarto. Sono più vincolati delle

altre anse, la flessibilità conformazionale è molto

limitata. Forze che stabilizzano la struttura terziaria (e quaternaria)

Le interazioni non covalenti

intramolecolari stabilizzano le

proteine in quanto si oppongono

all’effetto destabilizzante

dell’entropia, che tende a far perdere

loro la struttura ravvolta.

Con l’aumentare della temperatura la

proteina perde progressivamente la

struttura ravvolta e ne assume una

disordinata.

24

IV. Struttura quaternaria

È l’associazione di più catene polipeptidiche tramite interazioni non covalenti (e/o

ponti disolfuro).

Molte proteine note possiedono struttura quaternaria.

Definizioni:

Subunità: sinonimo di catena polipeptidica,

 ma va riferito solo a proteine dotate di struttura

quaternaria

Monomero: proteina composta di un’unica

 catena polipeptidica e priva di struttura

quaternaria

Dimero, trimero ecc.: proteine composte

 rispettivamente di 2, 3 ecc. subunità

Oligomero: proteina composta da più

 subunità, ma in numero limitato (ad es.:4, 6 o

8)

Multimero: proteina composta da un numero molto elevato di subunità

 Emoglobina

Eterodimero, eterotrimero ecc.: proteine composte rispettivamente di 2, 3

 ecc. subunità diverse

Omodimero, omotrimero ecc.: proteine composte rispettivamente di 2, 3 ecc.

 subunità uguali

Protomero: minima unità ripetitiva di proteine oligomeriche composte di

 subunità di diverso tipo (es. coppia subunità catalitica + regolativa)

L’assemblaggio delle subunità di una certa proteina non avviene a

caso, ma produce sempre una geometria ben precisa e

predefinita, inscritta nella struttura delle subunità.

strutture molecolari destinate a

Ogni subunità possiede

 realizzare il legame con le altre: in cui sono presenti molteplici gruppi

funzionali perfettamente complementari gli uni verso gli altri.

Un’interazione basata su un unico legame idrogeno non potrebbe mai garantire

questo.

Il riconoscimento molecolare (molecular recognition) è un

evento che governa moltissimi processi di importanza primaria nei

sistemi biologici (conformazione di proteine oligomeriche,

interazione tra antigeni e anticorpi, legame tra gli enzimi e substrati

Esempio:

…). legame della fosfocolina ad un anticorpo. La specificità

di riconoscimento è realizzata grazie a un definito orientamento di

alcuni residui dell’anticorpo, i quali producono interazioni molteplici

e specifiche con l’antigene.

Ruoli delle strutture quaternarie:

a) L’allostericità: il legame di una piccola molecola a una subunità modifica

l’affinità delle altre subunità per quella stessa molecola, normalmente

aumentandola

b) L’interazione tra subunità incrementa significativamente la loro stabilità

termodinamica 25

c) Consente di ridurre la lunghezza del tratto di DNA codificante proteine

strutturali. Se una proteina è composta da più copie della stessa subunità

d) In certi casi la formazione di oligomeri coinvolge subunità che possiedono

attività enzimatiche funzionalmente correlate, cioè che catalizzano

trasformazioni chimiche diverse ma facenti parte della stessa via metabolica

e) In certi casi l’associazione di diverse subunità a dare oligomeri consente di

generare un repertorio di isozimi (enzimi che catalizzano la stessa reazione ma

hanno diversa sequenza amminoacidica o composizione in subunità diverse)

Naturazione – denaturazione delle proteine

La struttura primaria determina in modo univoco la struttura

tridimensionale di una proteina, nelle condizioni fisiologiche

Una qualsiasi molecola proteica può avere due conformazioni:

La forma nativa è la forma

 funzionale, strutturalmente corretta.