Amminoacidi e proteine

PROTEINE GLOBULARI

FIBROSE EMOGLOBINA

CHERATINA MIOGLOBINA

COLLAGENE 10

In definitiva possiamo distinguere tra:

a) proteine fibrose- presentano una forma fibrosa e sono insolubili in H O, dal punto di vista

2

funzionale sono principalmente materiali strutturali passivi. Hanno in prevalenza struttura

secondaria. Esempi: cheratine e collagene.

b) proteine globulari- hanno in prevalenza struttura terziaria con amminoacidi idrofobici

all'interno della molecola e amminoacidi idrofilici esposti all'ambiente acquoso esterno che le

rendono solubili in H O. esempio: emoglobina e mioglobina.

2

c) proteine fibroglobulari- sono composte da parti fibrose e da parti globulari, spesso unite

come sub-unità indipendenti ma complementari nella funzione. Esempio: miosina.

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3- Struttura delle proteine

Le proteine sono macromolecole naturali formate da amminoacidi legati fra loro mediante il legame

peptidico che si instaura tra il gruppo carbossilico di un amminoacido ed il gruppo amminico

dell’amminoacido successivo.

In pratica il legame peptidico (che è un legame covalente) consiste nella condensazione del

gruppo carbossilico di un amminoacido con il gruppo amminico di un altro con eliminazione di una

molecola di acqua. Il dimero che così otteniamo, prende il nome generico di dipeptide.

Il legame peptidico è un legame ammidico, come quello che si forma fra un acido carbossilico e

una ammina primaria

Il legame peptidico è un legame rigido,cioè non esiste la possibilità di rotazione di C rispetto ad

N,contrariamente a quanto potremmo ritenere osservandolo come legame semplice. Questa rigidità

si spiega poiché il legame C-N ha parziali caratteristiche di doppio legame. Le parziali

caratteristiche di doppio legame impediscono la libera rotazione attorno al legame peptidico, C-N,

che costituisce così un punto di rigidità della catena polipeptidica. La barriera energetica che si

oppone alla libera rotazione è di circa 20 kcal/mole.

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Il legame C-N ha parziali caratteristiche di doppio legame

Si noti che dopo la condensazione, restano liberi alle due estremità del dipeptide, un gruppo -COOH

–NH

ed un gruppo disponibili per altre eventuali condensazioni. La condensazione di più

2

amminoacidi porta alla formazione di un polipeptide; le proteine sono formate dunque da catene

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polipeptidiche con più di 50 amminoacidi e con MM = 10 - 10 . Le proteine per idrolisi -->

restituiscono i singoli amminoacidi.

Vediamo adesso da vicino la struttura delle proteine ovvero i livelli di organizzazione delle

.

proteine Il comportamento biologico di una proteina è completamente interpretabile solo quando

ne è chiara la struttura. La struttura delle proteine può risultare anche molto complessa e viene

tradizionalmente suddivisa in 4 livelli di organizzazione. Va osservato che le catene laterali degli

amminoacidi sono libere di ruotare sullo scheletro formato dai legami peptidici e possono instaurare

tra loro molteplici tipi di legami chimici e interazioni, in particolare possono formare legami

covalenti, legami ionici, legami idrogeno, interazioni dipolo-dipolo e così via. In questo modo ogni

proteina assume una conformazione propria, una forma tridimensionale unica ed una funzione

biologica specifica. Quindi lo studio di una proteina richiede una suddivisione della sua struttura in

4 gradi di complessità:

a) struttura primaria: è la semplice sequenza degli amminoacidi e non considera la

tridimensionalità della molecola

b) struttura secondaria: riguarda l'organizzazione tridimensionale locale della catena di

amminoacidi

c) struttura terziaria: si ottiene quando il polipeptide è ripiegato in una conformazione stabile

e che ne consenta la corretta funzionalità 13

d) struttura quaternaria: è la struttura più complessa che si ottiene per assemblaggio di più

subunità proteiche, già ripiegate in struttura terziaria. Di seguito si riporta uno schema delle 4

strutture: 14

a) Struttura primaria

La struttura primaria di una proteina è data dalla sequenza degli amminoacidi che formano la

proteina stessa e dal loro numero (in pratica è data dall'ordine con cui gli amminoacidi si

susseguono nella catena polipeptidica.). All'interno della stessa molecola o fra molecole diverse,

le proteine possono formare dei ponti disolfuro, ovvero dei legami di tipo covalente che si

instaurano tra gli atomi di zolfo di due cisteine. In pratica questi ponti disolfuro si formano ad

–SH di due molecole dell’amminoacido cisteina;

esempio tra gruppi questi gruppi -SH si vengono

a trovare occasionalmente a distanza di legame ed in seguito a una reazione di ossidazione

–SH

(deidrogenazione), i due gruppi perdono i rispettivi atomi di idrogeno e si legano tra loro

–S-S-

mediante un legame covalente come si può vedere in figura:

cisteina

Il ponte disolfuro contribuisce in maniera significativa alla struttura primaria di una proteina, perchè

riduce la flessibilità della catena polipeptidica, può unire due catene polipeptidiche diverse oppure

due ramificazioni della stessa catena.

L'ordine con cui gli amminoacidi si susseguono nella catena non è casuale, ma è rigorosamente

immutabile per ogni particolare proteina di un organismo. Così ad esempio l'albumina (una

proteina presente in numerosi organismi animali), ha in ogni individuo appartenente alla stessa

specie, sempre la stessa composizione in amminoacidi, i quali sono legati l'uno all'altro sempre con

l’emoglobina

lo stesso ordine. Ad esempio consideriamo umana è una proteina globulare contenuta

nei globuli rossi e ha la funzione di trasportare l’ossigeno dai polmoni ai tessuti. È composta da 4



sub-unità uguali a due a due (2 catene polipeptidiche indicate con la lettera composte da 141



amminoacidi, e 2 catene polipeptidiche indicate con la lettera composte da 146 amminoacidi). La

sequenza normale di amminoacidi nell'emoglobina è la seguente:

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Valina-Istidina-Leucina-Treonina-Prolina-acido glutammico-Glicina-Lisina

Val- His- Leu- Thr-Pro-Glu- Gly- Lys

Questa è una sequenza, una succesione di residui amminoacidici; anche una variazione molto

piccola in tale sequenza o la mancanza di un solo amminoacido o la sua sostituzione con un

possono cambiare l’intera proteina e quindi la sua funzione biologica. l’

altro, In questo caso

amminoacido in posizione 6 è Glu (acido glutammico). Se per una biosintesi errata al posto di

Glu ---> compare Val (Valina)--> si ha una forma anomala di emoglobina, detta emoglobina S,

l’anemia falciforme.

che è causa di una grave malattia genetica:

La sola differenza tra l'emoglobina normale è quella dei malati di anemia falciforme è la

,

sostituzione di un singolo amminoacido della catena l' acido glutammico che ha un radicale R

polare, con la valina, un altro amminoacido che ha un radicale R apolare. La sostituzione di un solo

amminoacido su 574, causata da un errore genetico, può provocare una grave malattia.

Globuli rossi in condizioni normali

(a) (b)

Fotografia al microscopio elettronico a scansione di (a): un globulo rosso

umano contenente emoglobina normale; e (b): un globulo rosso contenente

emoglobina anomala

Nell'anemia falciforme (o anemia mediterranea), i globuli rossi anziché presentare forma

una forma “a falce”(o a mezzaluna); risultano rigidi e la loro vita media si

tondeggiante assumono

riduce drasticamente da 120 a 20 giorni circa, inoltre questi globuli rossi sono incapaci di scorrere

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normalmente all'interno dei capillari (vasi strettissimi dove i globuli rossi normali passano proprio

grazie alla loro elasticità) e quindi tendono a bloccarsi, causando "ingorghi" e quindi occlusioni

nella circolazione che possono causare trombosi.

La struttura primaria di una proteina è dunque fondamentale in quanto tutti i livelli strutturali

dall’informazione

superiori dipendono dovuta alla successione degli amminoacidi contenuti in ogni

proteina.

b) Struttura secondaria

La struttura secondaria di una proteina coincide con la configurazione tridimensionale a livello

locale della catena di amminoacidi, tale configurazione tridimensionale viene assunta dalla catena

polipeptidica a seguito delle interazioni a corto raggio (legami idrogeno) dei residui amminoacidici.

-elica, regioni

Questa struttura tridimensionale può essere di tre tipi differenti: foglietto loop.

Vi sono quindi diversi tipi di configurazioni secondarie, tutte rese stabili da ponti idrogeno che si

instaurano tra i gruppi peptidici (CONH) che la torsione interna del filamento porta uno di fronte

all'altro (l'idrogeno fa da ponte tra due elementi molto elettronegativi: l'azoto (=4) e

l'ossigeno ( =3.5) ).

I ponti idrogeno si instaurano tra un gruppo carbonilico C=O di un amminoacido ed il

gruppo amminico -NH di un altro amminoacido della stessa catena proteica o di una catena

vicina. I ponti idrogeno sono singolarmente abbastanza deboli però sono numerosi, per cui la

struttura presenta una buona stabilità.

In definitiva due i fattori che determinano la struttura secondaria di una proteina e che hanno

l'effetto di rendere minima l'energia potenziale della molecola sono:

1) minimizzazione dell'ingombro sterico fra i gruppi R

2) ottimizzazione della formazione di legami H intracatena

Il risultato di queste restrizioni fa sì che gli elementi di struttura secondaria si possano ricondurre

sostanzialmente alle tre sole diverse tipologie stabili: alfa-elica, foglietto-beta e ripiegamenti (loop).

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Nelle rappresentazioni proteiche schematiche questi tre elementi strutturali vengono visualizzati nel

modo seguente: le a-eliche sono disegnate in genere come nastri avvolti o come cilindri pieni, i



foglietti sono frecce schiacciate e larghe spesso leggermente incurvate come la loro stessa

conformazione prevede e le regioni loop sono dei semplici fili curvilinei (vedi figura seguente).

-elica

La struttura ad presenta una geometria a spirale, sempre destrorsa (l'andamento è

quello della filettatura di una vite tradizionale) giacché gli amminoacidi che la costituiscono hanno

tutti configurazione L; inoltre, in un'elica sinistrorsa i gruppi laterali R risulterebbero troppo vicini

ai gruppi C=O, destabilizzando la struttura. La catena polipeptidica si avvolge dunque a spirale (o

ad elica) intorno ad un ipotetico asse centrale; ogni singola spira contiene 3,6 residui amminoacidici

e la conformazione ad elica è stabilizzata da legami idrogeno che si formano tra il gruppo C=O di

un residuo n ed il gruppo NH del residuo (n+4) ( cioè ogni le