Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lehninger

PROTEINE FIBROSE E PROTEINE GLOBULARI

Le proteine possono essere classificate in due gruppi principali:

• Proteine fibrose:
  • Hanno catene polipeptidiche disposte lungo un asse, in lunghi fasci o in foglietti.
  • Sono costituite in gran parte da un unico tipo di struttura secondaria e la struttura terziaria è relativamente semplice.
  • Servono per la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule.
  • Sono insolubili in acqua, in quanto presentano un'alta concentrazione di amminoacidi idrofobici sia all'interno sia sulla superficie della proteina.
• Proteine globulari:
  • Hanno catene polipeptidiche ripiegate e assumono forme globulari o sferiche.
  • Contengono più tipi di struttura secondaria.
  • Sono proteine enzimatiche e/o regolatrici (es. enzimi, anticorpi, ormoni, proteine di trasporto e deposito).
  • Sono solubili in acqua.

PROTEINE FIBROSE

1. FIBROINA DELLA SETA:

La fibroina della seta, che è una proteina fibrosa, viene prodotta dagli insetti e...

dai ragni. Le sue catene polipeptidiche si trovano quasi esclusivamente nella conformazione β, e le ripetizioni di alanina e glicina permettono di avvicinare molto le catene tra loro e di formare un foglietto-β compatto, dato che le catene laterali R si integrano perfettamente. La glicina è spesso detta agente destabilizzante delle α-eliche, ma questa è una definizione concettualmente sbagliata perché la glicina è molto poco reattiva, tuttavia questa definizione deriva dal fatto che con numerose glicine la catena polipeptidica ha più tendenza ad arrangiarsi in foglietti-β che in α-eliche. La struttura complessiva è stabilizzata da molti legami a H tra i gruppi peptidici nelle catene polipeptidiche impegnate nel foglietto-β e dall'ottimizzazione delle interazioni di Van Der Waals tra foglietti differenti. I foglietti-β distano:

• 3,5 Å nello strato di glicine
• 5,7 Å nello strato di alanina

Questo porta alla formazione di sovrastrutture dette microfibre e fibre, infatti la seta ha una struttura quasicristallina, estremamente compatta e resistente. La seta non si può allungare, in quanto la conformazione β della fibroina è già completamente estesa, ma la struttura risulta comunque flessibile perché i foglietti sono tenuti assieme da interazioni deboli (invece che da legami covalenti come i ponti disolfuro nelle α-cheratine).

2) ELASTINA: L'elastina, insieme alla fibrillina, costituiscono le fibre elastiche: sono complessi assemblamenti macromolecolari che consistono in una zona centrale di elastina circondata da un rivestimento di microfibrille ricche di fibrillina. Le stesse fibre elastiche depositate durante la vita fetale debbono resistere fino a migliaia di milioni di cicli di stiramento e riavvolgimento senza deformazione irreversibile o incapacità funzionale. Di solito non c'è formazione di nuove fibre.

Nell'adulto, quando le fibre di elastina sono danneggiate, l'elastina di nuova sintesi, organizzata in modo improprio, non è in grado di funzionare correttamente e ciò porta ad alterazioni della rigidità del tessuto e sviluppo di patologie.

L'elastina, come il collagene, è inusualmente ricca di prolina e glicina ma, al contrario del collagene, non è glicosilata e contiene poca idrossiprolina e nessuna idrossilisina.

Per poter avere la proprietà di essere stirata e rispondere in modo elastico a forze provenienti da direzioni diverse, l'elastina presenta legami trasversali che si formano tra 3 residui di allisina e 1 residuo di lisina, che possono condensarsi a formare la desmosina, una struttura molto stabile, che ha al centro un anello piridinico (aromatico), che fa da perno per possibili trazioni in direzioni diverse.

La desmosina conferisce il colore giallastro al tessuto connettivo.

Perché la piridina è gialla.

Un altro tipo di proteine fibrose sono le α-cheratine, che hanno una resistenza alla tensione molto forte. Fanno parte della famiglia di proteine dei filamenti intermedi.

• Le α-cheratine sono ricchissime in cisteina e la maggior parte dei legami crociati sono dei ponti disolfuro.
• La struttura secondaria dell'α-cheratina è rappresentata da un α-elica destrorsa, che si ripete ininterrottamente per tutta la lunghezza della proteina.
• Tale struttura secondaria permette la formazione della struttura coiled-coil (che altro non è che l'esempio più semplice di struttura quaternaria): due catene di α-cheratina con la stessa direzionalità (con gli amminoacidi aminoterminali alla stessa estremità) si avvolgono l'una sull'altra per formare un superavvolgimento ad andamento sinistrorso; si formano così i protofilamenti, che sono

le unità dell'α-cheratina. Per formare una struttura coiled-coil le due catene devono avere dei punti di contatto stretto, dato da amminoacidi idrofobici. • Queste unità (i protofilamenti) interagiscono testa-coda e lateralmente con altre strutture identiche, assemblandosi in protofibrille, che si trovano ad esempio nei capelli, e sono stabilizzati da legami crociati. 4) COLLAGENE: Un altro tipo di proteina fibrosa è il collagene, che, come le α-cheratine, si è evoluto per resistere alle tensioni. È presente nel tessuto connettivo: tendine, cartilagine, matrice organica delle ossa, e cornea dell'occhio. • Struttura: o Struttura primaria: la sequenza amminoacidica del collagene è costituita dall'unità tripeptidica ripetuta Gly-X-Y, dove: ▪ X: - In genere è una prolina, - Ma può anche essere una lisina, una 5-idrossilisina o un'istidina. ▪ Y: - Di solito è una 4-idrossiprolina: chenon è uno dei 20 amminoacidi di base delle proteine, è una prolina modificata post-traduzionalmente; ossia una prolina che presenta un gruppo -OH sul carbonio 4. Ma può anche essere una lisina, una 5-idrossilisina o un'istidina.

Struttura secondaria: questa sequenza non può formare un'α-elica, infatti si forma una struttura elicoidale con un passo molto più ampio delle α-eliche: la catena pro-α, che ha le seguenti caratteristiche:

• E’ sinistrorsa;
• Ha 3 residui di amminoacidi per giro;
• E’ una struttura molto rigida: l'angolo φ non può ruotare liberamente perché nella prolina la catena laterale è chiusa a ciclo su quel legame.

Il collagene è un particolare tipo di coiled-coil: 3 catene pro-α sono superavvolte le une sulle altre a formare una tripla elica destrorsa (mentre le singole catene pro-α sono sinistrorse) in cui lo spazio interno è

moltoristretto; la molecola/fibra di collagene a tripla elica è detta tropocollagene, ed è l'unità strutturale del collagene.
Fibre di collagene: nei tendini, nell'osso e nella cartilagine, il tropocollagene tende ad associarsi con altre molecole di tropocollagene tramite legami crociati, creando delle fibre di collagene. Una struttura di questo tipo ha una particolare resistenza alla trazione e non a caso somiglia ad una corda.
I legami crociati possono essere:
- Ponti a H che si vengono a creare tra i gruppi -OH dei residui di idrossiprolina e di idrossilisina (* );
- Legami covalenti: vi sono dei processi ossidativi, catalizzati dalla lisina-ossidasi, sui residui amminoacidici delle lisine che generano gruppi reattivi che possono interagire e formare legami covalenti che stabilizzano l'intera struttura (* ).
Nel tempo, nell'organismo si formano sempre più legami crociati e il collagene si irrigidisce, infatti in tarda età i

tendini diventano più rigidi.

• Importanza della struttura primaria:
• Glicina: un terzo della struttura primaria è costituita da glicina, disposta con estrema regolarità, in quanto le glicine, che si trovano ogni 3 amminoacidi, vengono a trovarsi nei punti di incontro dei tre filamenti, consentendo loro di compattarsi. La presenza di tutti questi residui di glicina è fondamentale nella tripla elica collagenica, in quanto lo spazio interno è molto limitato, per cui un amminoacido con una catena laterale ingombrante non troverebbe spazio, infatti la glicina è l'unico aminoacido che può posizionarsi nello spazio interno della tripla elica collagenica, in quanto presenta una catena laterale molto piccola (non dà né interazioni né ingombro sterico). Per questo motivo, tutta la faccia interna del canale centrale della tripla elica è costituita da dei residui di glicina.
• Prolina (posizione X):

tutti questi residui di prolina induce la singola catena polipeptidica del collagene ad assumere una struttura elicoidale: la disposizione elicoidale della catena tiene i residui della prolina il più lontano tra loro, evitando così l'ingombro sterico dovuto alle catene laterali della prolina.
La prolina ha una catena laterale idrofobica e quindi tenderebbe a precipitare; ciò non avviene e questa caratteristica consente ad altre due catene pro-α di inserirsi nell'elica, accoppiandosi a formare una tripla elica (tropocollagene).
4-idrossiprolina (posizione Y) e 5-idrossilisina (posizione X o Y): l'-OH rende più solubile il residuo e gli consente di formare legami a idrogeno intra-tripla elica e inter-tripla elica (*):
Le catene pro-α sono tenute insieme da questi ponti a H, oltre che dai legami covalenti intra-tripla elica;
I tropocollageni sono uniti grazie a questi ponti ad H, oltre che dai legami covalenti inter-tripla.

1. Sintesi e maturazione del collagene:

La sintesi del collagene è intracellulare, ma la completa maturazione avviene dopo la secrezione all'esterno:

Nel lume del RE rugoso:

1. Viene sintetizzato il pre-pro-collagene-α, che a questo livello contiene dei residui C- e N-terminali e una sequenza segnale.
2. Subito dopo viene eliminata la sequenza segnale, e adesso la catena prende il nome di catena pro-α.
3. Successivamente la catena pro-α va incontro a modificazioni post-traduzionali (*) quali l'idrossilazione delle lisine e delle proline e la glicosilazione delle idrossilisine.
4. Ora si forma il pro-collagene, un precursore del collagene la cui regione centrale a tripla elica è affiancata da tratti N- e C-terminali chiamati propeptidi.

Affinché questa molecola si formi, una catena pro-α deve cercare stabilizzazione nell'interazione con altre due catene pro-α: ciascuna catena pro-α ha delle cisteine.

localizzate nella porzione C-terminale della catena (ovvero nel propeptide) che hanno la possibilità di formare dei ponti disolfu