Amminoacidi

Le interazioni che si instaurano a livello tridimensionale coinvolgono amminoacidi non necessariamente vicini nella

struttura primaria.

Legami disolfuro

Due citeine in prossimità formeranno un legame covalente (legame disolfuro).

Stabilizza significativamente la struttura terziaria .

Le interazioni di acqua con gruppi idrofili e ionici sviluppano una energia che stabilizza la struttura terziaria delle

proteine

Struttura quaternaria

Alcune proteine contengono più polipeptidi. Ogni peptide è chiamato sub unità. I polipeptidi sono tenuti insieme dagli

stessi tipi di interazioni che stabilizzano la struttura terziaria.

Oligomeri : composti da più di una catena di subunità polipeptidiche.

Globulare:

-Piegato in una forma globosa

- Stessi o diversi tipi della struttura secondaria

-Es : L'emoglobina

Fibroso:

-Polipeptidi disposti in lunghi filamenti o fogli

-Un Tipo di struttura secondaria

-es : Collagene e seta

Quali sono i vantaggi strutturali e funzionali della struttura quaternaria ?

• Stabilità : riduzione della superficie in rapporto al volume

• economia ed efficienza genetica

• Portare siti catalitici insieme

• cooperatività

Denaturazione delle proteine

• Poiché le strutture secondarie , terziaria e quaternaria delle proteine sono stabilizzate da deboli interazioni non

covalenti , queste strutture sono facilmente interrotte da agenti che distruggono tali nterazioni , tra cui :

o- cambiamenti di temperatura

o- variazioni di pH

o- stress meccanico ( agitazione)

o- Saponi e detergenti

Questi agenti di solito causano alla proteina di dispiegarsi

o-Solo la struttura primaria rimane

o- La proteina perde funzione

Christain Anfinsen ha vinto un premio Nobel per aver dimostrato che la denaturazione delle proteine può essere

invertita. L'esperimento ha dimostrato che le informazioni necessarie per ottenere la struttura della proteina ripiegata

correttamente è contenuta all'interno della sequenza aminoacidica della proteina(str.primaria).

Al fine di svolgere la loro funzione (ad esempio come enzimi o anticorpi), le proteine devono assumere una particolare

forma, nota anche come "piega". Così, le proteine prima fanno il loro lavoro e prima si riuniscono! Questo auto-

assemblaggio è chiamato "folding".

Refolding

Proteine omeostasi cellulare (proteostasis)

Per mantenere le proteine in uno stato piegato funzionale, le cellule devono trovare un equilibrio tra le forze

intrinseche ed estrinseche che perturbano il folding delle proteine e le reti specializzate di accompagnatori molecolari,

enzimi pieghevoli, e macchinari di degradazione.

Proteina cellulare omeostasi (proteostasis)

Heat shock protein (HSP) : famiglie e loro funzioni

Gli accompagnatori molecolari partecipano a più livelli nella biogenesi di proteine: assistendo nella piegatura de novo

e nelle interazioni delle proteine e prevenendo interazioni intermolecolari deleteri.

Famiglia HSP Funzione

Piccoli HSP Impedire l'accumulo di proteine aggregate

Hsp40 Consegna substrato HSP70, obiettivi proteine non nativi di ERAD

HSP70 Controllo della qualità delle proteine e fatturato

HSP90 Il principale responsabile per la vitalità cellulare, mantiene le proteine in stato

piegato

HSP100 Solubilizzare proteine aggregate

HSP60 Chaperonine

Proteine chaperonin HSP40,70 e 60

Le Chaperonine sono una famiglia di molecole chaperone formate da subunità di circa 60 kDa, HSP60, che vengono

assemblati in oligomeri di quattordici subunità dalla caratteristica forma a doppio anello.

Coinvolgimento di sHSPs nella manutenzione dell’omeostasi di proteine cellulari

Il compito principale di sHSPs è il mantenimento dello stato solubile delle proteine ripiegate e prevenire la loro

precipitazione e ,ancora, formare aggregati potenzialmente tossici.

Classificazione delle proteine

• Semplice: idrolisi di soli aminoacidi

• Coniugato: legato ad un gruppo non proteico, come zucchero, acido nucleico, o lipidi.

• fibrosa: lungo, filamenti filante, insolubile in acqua, funzione di struttura.

• globulare: piegato in forma sferica, funzionano come enzimi, ormoni, o proteine di trasporto.

La struttura della mioglobina e dell’emoglobina

Andrew Kendrew e Max Perutz risolsero la struttura di queste molecole nel 1959-1968.

Le domande poste sono essenziali: In cosa la chimica è responsabile per legare l'ossigeno, cooperatività, effetti BPG

e quali alterazioni nell'attività ha una singola mutazione sulla struttura e funzione.

Emoglobina

A causa del suo colore rosso,il pigmento rosso sangue ha interessato fin dall'antichità.

• Prima proteina ad essere cristallizzata - 1849.

• Prima proteina ad avere una massa misurata con precisione.

• Prima proteina da studiare per ultracentrifugazione.

• prima proteina associata ad una condizione fisiologica.

• Prima proteina per dimostrare che una mutazione puntiforme può causare problemi.

• Prima proteina con strutture raggi X determinate.

• Teorie di cooperatività e di controllo spiegano la funzione dell'emoglobina.

Mioglobina

Proteina globulare legata a un gruppo prostetico(HEME) che lega l'ossigeno; è presente in tutti i tessuti,

particolarmente nei MUSCOLI.

44 x 44 x 25 una subunità SINGOLA: 153 aminoacidi residui

121 residui sono in un'alfa elica; le eliche sono denominati A, B, C, ... F.

La tasca dell'eme è circondata da E e F, ma non B, C, G,e pure H è vicino all’ eme.

Il gruppo eme

Ogni subunità di emoglobina o mioglobina contiene un eme.

• Lega una molecola di ossigeno

•Dalla Heterocyclic porfirina derviva protoporfirina IX

Il ferro deve essere nella forma Fe (II) o in forma ridotta Fe (III) (ossidazione di ferro)

L'imidazolo N del residuo di istidina in posizione elica F (istidina prossimale) lega il Fe 2+.

Il legame di O2 all’ Heme

Il legame di O2 a un gruppo eme libero è irreversibile

• l’involucro in una proteina permette un legame reversibile

-O2 ha solo limitata solubilità (1 x 10-4 M) in acqua

-Il problema solubilità si supera legandosi alle proteine

-Aumenta anche la diffusione

Il legame di O2 alla mioglobina

Proprietà:

Mb + O2 MbO2

Come Aumenta pO2, i legami aumentano

La curva di rilegatura è iperbolica, non è lineare

Bassa pO2 , determina un piccolo legame alle proteine; Alta pO2 , determina la saturazione di proteine. A metà

saturazione pO2 = P50 (mioglobina) = 2.8 torr.

Se la pO2 intercellulare scende sotto 6 Torr ,MbO2 rilascia O2 alle cellule (mitocondri).

Struttura dell’ emoglobina (umana; adulto)

Proteina composta da 4 subunità: 65.000 MW Da; alfa2 beta2

Ogni subunità contiene una frazione eme attaccata ad una catena polipeptidica.

FORMAZIONE dell’ossiemoglobina

• Una molecola di ossigeno si attacca in modo reversibile alla porzione eme dell'emoglobina.

• L'unità eme contiene Fe 2+ che fornisce la forza di attrazione

Hb + nO2  Hb (O2) 1 + Hb (O2) 2 + Hb (O2) 3 + Hb (O2) 4

4 O2 + Hb (Fe2 +) Hb (Fe 2+ - O2) 4

La metaemoglobina è strutturalmente uguale all'emoglobina in cui il’ atomo di ferro contenuto in 4 gruppi eme è stato

ossidato da Fe2 + a Fe3 +. La metaemoglobina perde la sua funzione fisiologica di fornire O2.

Meccanismo molecolare dell’ossigenazione di Hb

Il legame dell’ossigeno all’eme causa all’atomo di ferro di muoversi di circa 0.54 A (0.04 nm) dentro il piano dell’eme.

Movimenti dell’interfaccia a1b2 durante la transizione T R

I cambiamenti conformazionali , avviati dal movimento dell'elica F , alterano la rete di interazioni elettrostatiche tra le

subunità .

Cooperatività del legame dell’O2 con l’emoglobina

Stato T (teso) Bassa affinità per l’ O 2

Il primo legame dell’O2 con una subunità favorisce le successive transizioni della Forma T

nella forma RStato R (rilassato) Alta affinità per l’ O 2

Meccanismo molecolare della co-operatività Hb

In effetti , l'energia di legame della prima molecola di ossigeno è in parte " consumata " per rilassare la struttura Hb

( allentare i contatti tra le sub unità); così l' affinità iniziale dell’ ossigeno è bassa. Una volta convertita allo stato R, la

barriera al legame dell’ossigeno viene rimossa, aumentando così l'affinità dell’ ossigeno .

Due modelli suggeriscono meccanismi di legame cooperativo .

Modello concertata (modello MWC):proposto da Jacques Monod , Jefferies Wyman , e Jean-Pierre Changeux nel

1965

Modello sequenziale : proposto da Daniel Koshland e colleghi nel 1966

Modello sequenziale di Koshland

Il legame di ligandi induce graduali cambiamenti conformazionali locali,che modificano le sub unità adiacenti ancora

libere, aumentandone l’affinità per il ligando.

A basse concentrazioni di ossigeno ( come nel capillare ), la mioglobina ha una maggiore affinità per l'ossigeno di

quanto non ne abbia l’ emoglobina.

Equazione di Hill e cooperatività

Un'equazione di saturazione frazionale empirica dalla curva dell’ossigeno può essere ricavata sulla base di questi

dati

Riorganizziamo i risultati nell’ Equazione di Hill :

Le pendenze delle curve rette risultanti ( n) sono un'indicazione di cooperatività nel legame dell’ ossigeno.

L’emoglobina trasporta anche H+ and CO2

In Hb , O2 si lega all'atomo di ferro dell’ eme e rilascia H +.

Hb + 4 O2 Hb ( O2 ) + n + H

Il rilascio di H + al pH del sangue è definito effetto Bohr (polmonare).

Il valore di H + rilasciato quando una molecola di desossi Hb viene convertita in ossi Hb varia da 1.2 a 2.7 (circa 0,31

H + per legame di ossigeno).

I residui acidi di Hb diventa più acido quando Hb spazia dal modulo T di R e quindi rilasciare H +

Effetto Bohr

Ha un importante significato psicologico.

L’emoglobina rilascia H+ quando è legata a O2

L’emoglobina lega H+ quando rilascia O2

H+ stabilizza lo stato T.

L’emoglobina e l’effetto Bohr

L'effetto Bohr è la diretta conseguenza dei cambiamenti conformazionali che si verificano in Hb durante

legame dell’ ossigeno. Circa il 50 % dell'effetto è causato da una variazione in pKa dell’His 146 ( sulla

sub unità b). Nell stato T, His è legato ad H attraverso Asp 94 . Quando Hb si sposta dalla conformazione

T alla R, la H legata a Asp 94 viene distrutta , permettendo un protone su His per dissociarsi

immediatamente.

Effetto Bohr fisiologicamente

Al tessuto , una quantità equivalente di H + rilascia