Riassunto esame Biochimica e biologia molecolare, Prof. Bresciani Roberto, libro consigliato I principi di biochimica , Albert Lehninger

PROTEINE FIBROSE

Tra le principali proteine fibrose si distinguono:

- actina

- miosina

- cheratina

- collagene: è una molecola lineare, fibrosa o elicoidale formata da una triplice elica1 in cui le tre

eliche si avvolgono l’una sull’altra. È molto sottile, ha un lume molto piccolo e sembra una «molla

molto tirata». Possiede degli aminoacidi che gli conferiscono una funzione di supporto e

ancoraggio, molto utile nella matrice extracellulare in cui, non a caso, non è solubile

Actina e miosina

L’actina e la miosina sono proteine fibrose che scorrono l’una sull’altra. Se ci sono errori nella

sequenza amminoacidica, l’alfa-elica non svolge più la stessa funzione.

I preparati contenenti actina, se sottoposti a luce fluorescente ad una certa lunghezza d’onda,

diventano fluorescenti.

Anticorpi

Si tratta di proteine globulari tridimensionali aventi una funzione immunitaria.

Nella loro struttura si può distinguere una regione costante, detta FC, e una

regione specifica per un determinato antigene, la Fab. Il riconoscimento

antigenico avviene grazie a delle interazioni deboli reversibili. Inoltre, gli

anticorpi sono ricchi di beta foglietti.

Enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici di tipo, nella maggior parte dei casi,

globulare. Riconoscono le molecole e operano una catalisi trasformando il

substrato in prodotto.

Tra i principali aminoacidi è presente l’esochinasi. È presente una tasca che

rappresenta il sito catalitico dell’enzima, un insieme di aminoacidi dove

avviene la catalisi, ovvero la trasformazione del substrato in prodotto.

Struttura quaternaria

Le proteine quaternarie sono formate da un dimero, trimero o tetramero (...) di proteine terziarie,

ottenendo una macromolecola avente proprietà differenti rispetto al singolo monomero.

L’esempio classico è l’emoglobina formata da 4 subunità a due a due uguali,2 catene alfa e due

beta, ognuna di queste sono simili (le catene alfa e beta hanno stessa funzione di legame con O)

con sequenza amminoacidica ovviamente diversa ma con struttura simile, sono inoltre simili alla

mioglobina. L’unione di singoli monomeri conferisce proprietà diversa al singolo monomero, le

proteine si assemblano tra loro tramite interazioni deboli reversibili come i ponti salini tra aa sulla

superficie di un monomero e aa presenti sulla superficie dell’altro monomero. Nell’emoglobina

l’NH3 dell’alfa-1 si trova nelle vicinanze del COO- dell’alfa-2 creando un legame, inoltre il legame

può avvenire anche tra l’arginina di alfa-1 e l’aspartato di alfa-2 —> ciò che succede su un

monomero può essere sentito anche dagli altri monomeri, questo rende diversa l’emoglobina dalla

mioglobina.

L’emoglobina S è una variante dell’emoglobina associata all’anemia falciforme, una malattia

genetica caratterizzata dalla presenza di globuli rossi deformi a forma di falce che causano delle

ostruzioni nei vasi sanguigni e una ridotta capacità di trasportare l’ossigeno.

L’emoglobina S si forma a causa di una mutazione genetica che coinvolge la catena beta della

proteina stessa: un acido glutammico in posizione 6 viene sostituito con una valina. Questa

modifica altera la struttura dell’emoglobina, con delle conseguenze: 30

- è meno solubile se «non caricata» di ossigeno

- è più incline a formare aggregati molecolari chiamati polimeri

Quando la concentrazione di emoglobina S è elevata, specialmente in condizioni di bassa

concentrazione di ossigeno, come durante lo sforzo fisico o l'ipossia tissutale, l'emoglobina S

tende a polimerizzare, cioè ad aggregarsi formando catene lunghe. Questo fenomeno è quello che

porta alla deformazione dei globuli rossi in forma di falce, causando ostruzioni nei vasi sanguigni e

riducendo il flusso sanguigno agli organi e ai tessuti.

La formazione di aggregati è legata alla polarità degli aminoacidi interessati nella sostituzione. In

modo particolare, una molecola carica negativamente, il glutammato, viene sostituita con una

molecola apolare, la valina. Di conseguenza, c’è una minore repulsione tra gli aminoacidi e quindi

si formeranno con maggiore facilità degli aggregati. La sostituzione glutammato-valina viene

considerata non conservativa.Il glutammato non ha alcuna funzione specifica rispetto

all’emoglobina, tuttavia è fondamentale per garantirne una struttura corretta.

LA MIOGLOBINA

È una proteina globulare formata da 153 aa con PM di 18 Kda che rappresenta una riserva di

ossigeno per il tessuto muscolare. La mioglobina è una proteina monomerica globulare i cui due

gruppi propionici posti︎ in alto sono esposti︎ verso l’esterno a garanti︎ re solubilità in ambiente

acquoso, facendo quindi “da tappo” per la tasca idrofobica interna, tra cui il gruppo eme, al fine

di ridurre al massimo l’interazione con l’acqua

Il gruppo eme è una molecola planare, inserito nella tasca idrofobica, che permette di legare

l’ossigeno grazie al suo atomo di ferro. Il ferro, per permett︎ ere la formazione del legame, deve

essere mantenuto allo stato ferroso, ciò è favorito dall’ambiente intorno assente di acqua. Il ferro

forma i primi 4 legami con i 4 azo︎ ti, per tra︎ ttenerlo ancora di più all’interno della tasca idrofobica.

Inoltre per poter mantenere il gruppo eme nella tasca idrofobica è necessario il residuo di is︎ dina

prossimale. L’ossigeno si lega sul versante opposto planare, con un legame sufficientemente forte

da tratt︎ enerlo, ma non in maniera così forte da non poterlo cedere quando serve. Se il legame tra

il ferro e l’ossigeno fosse perpendicolare al piano del gruppo eme sarebbe troppo forte, bisogna

quindi piegare il legame per indebolirlo e facilitare la cessione dell’ossigeno alle cellule dei tessuti︎ ,

ciò è favorito dalla is︎ dina distale.

Nel momento in cui il ferro lega l’ossigeno, il ferro finisce al centro all’interno del piano. Dal punto

di vista spaziale il legame con l’ossigeno porta anche l'is︎ dina prossimale ad avvicinarsi al piano

del gruppo eme. Ciò a sua volta provoca l’avvicinamento di tu︎ a la catena polipep︎ dica legata

all’is︎ dina prossimale (152 amminoacidi) modificando l’intera strutt︎ ura spaziale della mioglobina.

A differenza dell’emoglobina, che trasporta l’ossigeno, la mioglobina trattiene le molecole

proteiche. È necessario avere delle proteine che svolgono una funzione di «conservazione»

dell’ossigeno, in questo modo è possibile garantirne la disponibilità quando necessario. La

mioglobina è una proteina che si trova principalmente nei muscoli scheletrici dei vertebrati e ha la

funzione di immagazzinare e rilasciare ossigeno ai tessuti muscolari.

La caratteristica distintiva della mioglobina è la presenza del gruppo prostetico eme, che è

essenziale per la sua funzione. Il gruppo eme è una struttura planare, rigida e idrofobica costituita

da un anello tetrapirrolico con un atomo di ferro (Fe2+) al centro. Questa struttura conferisce al

gruppo eme la capacità di legare reversibilmente una molecola di ossigeno.

All'interno della struttura della mioglobina, il gruppo eme è contenuto in una tasca idrofobica

formata dalla conformazione degli amminoacidi circostanti. Questa tasca protegge il gruppo eme

dall'interazione con molecole idrofile presenti nell'ambiente circostante e facilita il legame

dell'ossigeno al ferro del gruppo eme.

L’eme è formato da:

1. 4 anelli pirrolici, complesso nell’insieme definito tetrapirrolo: è una struttura pentagonale e uno

degli elementi che lo compone è l’azoto

2. 4 ponti metinici, che tengono uniti gli anelli pirrolici

3. sostituenti: 4 gruppi metile, 2 gruppi vinile, 2 gruppi propionici

4. 1 atomo di ferro, che si posiziona al centro dell’eme

Ferro, ossigeno e istidina prossimale e distale

La mioglobina è una proteina che agisce come serbatoio di ossigeno nei tessuti muscolari,

fornendo ossigeno ai mitocondri per la produzione di energia. Il gruppo prostetico della 31

mioglobina è l'eme, che contiene un atomo di ferro capace di formare sei legami di coordinazione.

Quattro di questi legami sono con gli azoti dei pirroli dell'eme, mentre gli altri due sono

perpendicolari al piano dell'eme. Uno di questi legami è con un'istidina prossimale, un

amminoacido vicino al ferro, mentre l'altro lega l'ossigeno.

Tuttavia, se il legame tra il ferro e l'ossigeno fosse perpendicolare al piano dell'eme, sarebbe

troppo forte per la funzione della mioglobina, rendendo difficile il rilascio dell'ossigeno ai tessuti

muscolari. Per ridurre la forza di questo legame e permettere un facile rilascio di ossigeno,

un'istidina distale all'interno della tasca idrofobica della mioglobina crea uno spazio che costringe

l'ossigeno a legarsi con un angolo diverso da 90 gradi. Ciò rende il legame meno forte e facilita il

rilascio dell'ossigeno quando necessario. In breve, l'istidina distale permette alla mioglobina di

legare e rilasciare l'ossigeno in modo efficiente nei tessuti muscolari.

L'eme è un gruppo prostetico presente in diverse proteine, ma può variare la sua struttura e i suoi

legami con la proteina ospite. Ad esempio, nel citocromo c, l'eme è direttamente legato alla

proteina tramite gruppi vinilici legati a cisteine. Nel citocromo a, l'eme è legato a una catena

isoprenica. Nel ciclo di Krebs, un intermedio chiamato succinil-CoA è coinvolto nella sintesi

dell'eme. La mioglobina è una proteina stazionaria, mentre l'emoglobina è mobile e svolge un

ruolo nel trasporto dell'ossigeno dai polmoni ai tessuti.

La mioglobina subisce modificazioni strutturali a livello tridimensionale in base alla presenza o

all'assenza di ossigeno legato al ferro dell'eme. Quando la mioglobina è deossigenata, l'istidina

prossimale spinge il ferro verso di sé, portandolo appena fuori dal piano dell'eme. Tuttavia,

quando l'ossigeno si lega al ferro, questo ritorna sul piano dell'eme, trascinando con sé la catena

laterale dell'istidina prossimale e influenzando la conformazione degli altri 152 amminoacidi della

mioglobina. Di conseguenza, la struttura tridimensionale della mioglobina cambia in base alla

presenza o all'assenza di ossigeno legato al ferro, evidenziando una dinamica strutturale delle

proteine.

Ossigenazione e deossigenazione della mioglobina

Il fenomeno di saturazione della mioglobina in funzione della disponibilità di ossigeno segue un

andamento iperbolico, ra