Appunti biochimica 1 (172 pg)

Antiga Alessia 2017 Biochimica 1 Unipd

Proteine

Proteine sono biopolimeri costituiti da molte unità monomeriche (amminoacidi) unite da legami ammidici. Sono catene lineari, di lunghezza e composizione variabile. Sono presenti in tutte le cellule e in tutti i compartimenti cellulari, sono le macromolecole più abbondanti. Hanno un ruolo fondamentale in tutti i processi biologici.

Funzioni

• Catalisi enzimatica: Gli enzimi catalizzano tutte le reazioni nei sistemi viventi, ne aumentano la velocità di 10⁶ - 10¹⁰ volte.
• Trasporto e deposito: Consentono il trasporto e il deposito di alcune molecole. Es. emoglobina (O₂ polmoni → tessuti, CO₂ tessuti → polmoni), mioglobina (deposito O₂ nei tessuti), transferrina e ferritina.
• Movimento coordinato: Consentono il movimento, ad esempio delle fibre muscolari. Es. actina, miosina, tubulina.
• Sostegno meccanico: Consentono di dare forma e sostegno ad organismi. Es. collagene (ossa, cute, tendini, cartilagini), cheratina (capelli, peli, unghie, piume), fibroina (baco da seta).
• Protezione immunitaria: Fanno parte del sistema difensivo. Es. anticorpi (nel sangue, prodotti dai linfociti, attaccano agenti esogeni, ne consento il metabolismo e la loro eliminazione).
• Produzione e trasmissione informazioni: Es. proteine canale e recettori.
• Controllo crescita e differenziamento: Es. fattori di crescita.
• Regolazione: Molecole che trasportano messaggi chimici. Es. ormoni proteici: insulina (dal pancreas al fegato, ordina di assorbire il glucosio nel sangue per formare glicogeno), glucagone (ordina di demolire il glicogeno per liberare glucosio), ossitocina (contrazioni utero e secrezione latte materno).
• Energetica: Raramente proteine vengono ossidate per produrre energia.

Amminoacidi α

Negli eucarioti sono presenti solo α-amminoacidi: possiedono un carbonio centrale, un gruppo amminico, un gruppo carbossilico e una catena laterale R. Il carbonio centrale è chirale, ad eccezione di quello nella glicina. β e γ amminoacidi presentano il gruppo amminico rispettivamente sul secondo o terzo carbonio.

Configurazioni

Secondo le proiezioni di Fischer, gli amminoacidi possono presentare configurazione D o L. Nelle proteine naturali si possono trovare 20 + 2 diversi L-amminoacidi. Le catene R determinano le loro proprietà, determinano le interazioni intramolecolari (struttura e funzione) e interazioni intermolecolari.

Attività ottica

Attività ottica è la capacità di deviare il piano della luce polarizzata, di un certo angolo α (= potere rotatorio), che hanno i composti chirali. → α (-) levogiro. → α (+) destrogiro. Due enantiomeri (otticamente attivi) di un composto, hanno proprietà identiche, ma potere rotatorio uguale e opposto (|α|). Una miscela racemica è otticamente inattiva (+α -α = 0).

Potere rotatorio specifico: α= angolo misurato. ^l= lunghezza cella [dm]. c= concentrazione campione [g/mL].

Proprietà acido-base

Classificazione amminoacidi

Secondo le proprietà della catena laterale R:

• Alifatici: Idrofobici, non polari. A parte nella glicina, R è una catena idrocarburica. La metionina contiene un atomo di S (è il primo residuo incorporato nelle proteine (N-terminale) perché corrisponde al codone di inizio ATG o AUG). La prolina è un imminoacido, ha una struttura ciclica, rigida, che influisce sulla struttura secondaria delle proteine (ripiegamenti).
• Aromatici: Idrofobici, non polari. Possiedono un anello aromatico. Il triptofano possiede un anello eterociclico in più che gli conferisce rigidità. La tirosina è leggermente più polare a causa del gruppo ossidrilico, il quale può formare legami idrogeno, essere bersaglio di meccanismo universale di regolazione dell’attività proteica (prevede l’OH fosforilato, post-traduzionalmente attraverso catalisi enzimatica, come segnale).
• Polari: Polari, non carichi. Possiedono un gruppo polare (ossidrile, carbonile o tiolico). L’ossidrile di serina e treonina può essere fosforilato post-traduzionalmente. La cisteina è importante nella struttura terziaria delle proteine, due residui possono essere ossidati a cistina con formazione del ponte disolfuro ( -SH + -SH → -S-S-), legame covalente → collegamento di regioni diverse di proteine, maggiore stabilità.
• Basici: Idrofilici, con carica positiva. Possiedono una carica positiva, su un atomo di N, all’interno della catena R. L’istidina è l’unico amminoacido con potere tampone a pH fisiologico (pKa= 6). A pH fisiologico il gruppo imidazolico aromatico può avere carica neutra o positiva. In catalisi enzimatica, donatore o accettore di protoni.
• Acidi: Idrofilici, con carica negativa. Possiedono una carica negativa, su un atomo di O, all’interno della catena R.

Elettroforesi

Tecnica di separazione di α-AA di una miscela, sfruttando la differenza di carica netta (ad un certo pH) e dei pesi molecolari. Un supporto solido (carta, amido, agar, acetato di cellulosa) viene imbevuto ai due lati con tampone e viene posto tra due elettrodi. Si pone il campione al centro del supporto. Si applica un campo elettrico (d.d.p.) → catodo e anodo. Ad un determinato pH, non tutti gli α-AA sono al loro punto isoelettrico, perciò migrano a velocità differenti (secondo peso molecolare e carica netta) verso gli elettrodi di carica opposta alla loro carica netta.

Modificazioni post-traduzionali

Sono importanti, a volte essenziali per l’attività delle proteine. Consistono nell’aggiunta di gruppi funzionali alla catena laterale:

• Ossidrilazione
• Metilazione
• Acetilazione
• Carbossilazione
• Fosforilazione

Ad esempio:

• Collagene, nella parete delle cellule vegetali: un deficit di vitamina C causa scorbuto.
• Protrombina, lega ioni Ca⁺⁺: un deficit di vitamina K causa emorragie.
• Amminoacidi non proteici, biologicamente attivi, come neurotrasmettitori, mediatori locali e ormoni.

Legami covalenti

• Legame peptidico: Tra amminoacidi consecutivi.
• Ponte disolfuro: Tra amminoacidi non consecutivi, anche lontani.

Legame peptidico o carbammidico

Ad eccezione di amminoacido N-terminale e quello C-terminale, gli amminoacidi sono coinvolti, tramite i gruppi amminici e carbossilici, nei legami peptidici → le proprietà delle proteine dipendono solo dalle catene R.

Risonanza: Legame, dipolo, fortemente stabilizzato. Angoli di legame ≈ 120°. Lunghezza legame intermedia tra singolo e doppio:

• L C-O = 0.124 nm
• L C-N = 0.132 nm

6 atomi complanari (no libera rotazione), struttura rigida. Nel legame peptidico, il legame singolo O=C–NH ha caratteristiche di doppio legame (lunghezza intermedia), risultando in un ibrido di risonanza: la libera rotazione C–N è impedita, quindi il legame peptidico costituisce una struttura planare rigida. C’è invece libertà di rotazione tra O=C – Cα (ψ) e tra HN- Cα (φ) → sequenza di piani con orientamento che dipende dagli ingombri sterici e dalle caratteristiche di R. Preferita conformazione trans.

Organizzazione

La proteina assume una determinata conformazione, necessaria per poter svolgere la propria funzione, corrisponde alla conformazione termodinamicamente più stabile per quella sequenza amminoacidica. La conformazione della catena amminoacidica è definita completamente quando ψ e φ sono fissati per ciascun residuo della catena.

L’organizzazione della struttura avviene secondo 4 livelli:

Struttura primaria

Rappresenta quanti, quali e che sequenza di α-AA formano la catena polipeptidica. La composizione chimica determina struttura, proprietà e funzione della proteina, ogni proteina ha una sequenza specifica di amminoacidi. Sono possibili solo determinate combinazioni di ψ e φ, che dipendono dalle caratteristiche di tutti gli atomi, soprattutto del gruppo R. Per convenzione si attribuiscono gradi crescenti per rotazione in senso orario, considerando la conformazione estesa. A partire da un tripeptide di alanina sono state calcolate le possibili combinazioni di valori di ψ e φ, in base alle distanze tra gli atomi e ai raggi di Van Der Waals.

Si è ottenuto un diagramma di Ramachandran:

• Zone nere di combinazioni largamente permesse.
• Zone grigie di combinazioni accettabili al limite.

Le distribuzioni sono simili per tutti i tripeptidi, ad esclusione di quelli di glicina e prolina:

• Tripeptide glicina: zone fino al 45%, con centro simmetrico a causa del fatto che è l’amminoacido più piccolo e l’unico a non essere simmetrico → permette conformazioni inusuali della catena.
• Tripeptide prolina: combinazioni molto limitate, φ ≈ -60° e ψ ≈ ± 25°.

Struttura secondaria

In alcune regioni la struttura primaria si ripiega su sé stessa, in modo da consentire la formazione del maggior numero di legami idrogeno, i quali conferiscono stabilità. È data da interazioni tra amminoacidi che vengono a trovarsi vicini grazie a dei ripiegamenti nella catena polipeptidica, definite dai legami idrogeno. Alcuni tratti della catena possono assumere la struttura a α-elica, altri a β-foglietto, altri possono formare dei ripiegamenti β-turn (che definiranno la struttura terziaria) → organizzazione tridimensionale di segmenti definiti.

α-Elica

• È la più semplice.
• Lo scheletro è avvolto attorno ad un asse centrale immaginario, con i gruppi R rivolti verso l’esterno, formando una struttura a bastoncino.
• Non è vuota (raggi di Van Der Waals) → resistenza e bassa solubilità in acqua.
• Si forma quando è presente una successione di angoli diedrici con valori compresi tra 60° e 50°.
• Destrogira (soprattutto) o levogira.
• Legami H intracatena, ogni 4 residui, paralleli all’asse centrale → passo di 0,56 nm (canale idrofobico, altrimenti i legami H sarebbero destabilizzati) e 3,6 amminoacidi per giro.

Alcuni α-AA non sono compatibili con la struttura a α-elica, in una α-elica è possibile trovare alcuni di questi residui (tranne glicina e prolina), ma non regioni ricche:

• Prolina: non può formare legami idrogeno perché non ha H sull’atomo di azoto. È ingombrante, inoltre il legame N-Cα è bloccato. Il 6% dei legami è di tipo cis → provoca interruzione delle α-eliche.
• Glicina: è troppo piccola. È poco presente.
• Serina, aspartato, asparagina: formano troppi legami H.
• Isoleucina, triptofano: sono troppo ingombranti.

β-Foglietto o lamina

• Organizzati in modo che lo scheletro risulti a foglietti con andamento a zig-zag (fisarmonica).
• Legami idrogeno, perpendicolari ai piani costituiti dai legami peptidici, intercatena tra filamenti da almeno 5-10 residui oppure intracatena tra residui distanti.
• 0,70 nm tra due foglietti paralleli.
• I gruppi R sono disposti sopra e sotto i piani dei legami peptidici.
• I foglietti possono avere disposizione parallela se le due catene hanno la stessa direzionalità (atomi coinvolti nei legami H non allineati, legami H non perpendicolari → minor stabilità e φ ≈ -120° e ψ ≈ + 105°) oppure antiparallela se le due catene hanno direzionalità opposta (atomi coinvolti nei legami H allineati, legami H perpendicolari → maggior stabilità e φ ≈ -135° e ψ ≈ + 140°).

Alcuni α-AA non sono compatibili con la struttura β-foglietto:

• Glutammato, lisina, aspartato: a pH 7 sono carichi.
• Prolina: non può formare legami idrogeno perché non ha H sull’atomo di azoto. È ingombrante, inoltre il legame N-Cα è bloccato.

Questi particolari ripiegamenti sono intervallati da zone random non strutturate, che permettono flessibilità e il contatto con altre proteine o DNA.

β-Turn o ripiegamento

• Ripiegamento di 180° di una sequenza di 4 residui tra cui prolina e glicina.
• Impone un cambio di direzione in corrispondenza di ripiegamenti o anse, può collegare tratti successivi di α-eliche o β-foglietti, coinvolge i tratti random della catena.
• È provocato da un legame H tra il residuo 1 e il 4 e presenta:
• Tipo I: Prolina (in configurazione cis) in posizione 2.
• Tipo II: Glicina in posizione 3.

C’è una maggiore o minore propensione a trovare determinati amminoacidi nelle diverse strutture:

Con la tecnica del dicroismo circolare (CD) è possibile determinare la struttura prevalente di una catena polipeptidica → si ottengono curve di assorbimento ben distinte fino a 240 nm.

Ci sono proteine a sola struttura secondaria: rigide, idrofobiche, spesso formano macro aggregati fibrillari e hanno funzione strutturale (collagene, cheratine, ecc.).

Struttura terziaria

Alcune regioni si associano in maniera specifica, formando ulteriori ripiegamenti, consentendo la formazione di altri legami deboli (ionici, H, Van Der Waals) e ponti disolfuro e rappresenta la struttura tridimensionale della proteina. Alcune proteine assicurano il corretto ripiegamento delle catene (conformazione nativa): le proteine chaperone.

Proteine fibrose

Es. miosina, α-cheratina:

• Hanno struttura lineare, direzionata, con catene disposte in fasci o filamenti.
• Prevale la struttura secondaria.
• Sono rigide, idrofobiche, hanno funzione strutturale.

Le strutture secondarie possono combinarsi per dare origine a motivi proteici facilmente riconoscibili:

• Motivo= avvolgimento caratteristico formato da elementi di struttura secondaria e da elementi di connessione

Es. motivo ad elica super avvolta – Pauling 1953 (fascio di α-eliche che si superavvolgono tra loro → influenza delle lunghezze e degli angoli di legame).

Proteine globulari

Es. enzimi, p. regolatrici:

• Catene, con combinazioni multiple di strutture secondarie, aventi conformazione globulare o sferica.
• Sono stabilizzate da legami non covalenti e da legami covalenti (ponti disolfuro).
• Ponti disolfuro: durante la sintesi delle proteine si formano ponti disolfuro temporanei, in successione, per permettere poi la formazione di quelli corretti mediante isomerizzazione con l’intervento di PDI (proteina disolfuro isomerasi).

Il ripiegamento della struttura terziaria globulare espone i residui polari verso l’esterno, rendendo la proteina solubile in acqua e idrofobica all’interno. I ripiegamenti avvengono in corrispondenza dei tratti random, dove la struttura secondaria non è presente, soprattutto in corrispondenza di:

• Prolina
• Glutammato e lisina vicinali
• Triptofano vicinali

Domini: Catene più lunghe possono ripiegarsi in raggruppamenti compatti, caratterizzati da funzione specifica, sono unità indipendenti, con caratteristiche di una piccola proteina.

→ Proteina con più domini distinti, con funzioni indipendenti. Combinando in modo diverso le diverse strutture secondarie è possibile ottenere diverse forme tridimensionali e diverse strutture funzionali e ottenere diverse proteine (che possono avere domini comuni).

Esempio: Gliceraldeide 3 fosfato deidrogenasi:

• Costituita da 2 regioni tipiche, collegate da tratti random:
• Dominio che lega la gliceraldeide 3 fosfato (substrato).
• Ripiegamento di Rossman che lega il dinucleotide NAD⁺.

Miosina

Ogni miosina è formata da 6 catene polipeptidiche (1 coppia di leggere e 2 coppie di pesanti) disposte in maniera altamente asimmetrica. Una molecola di miosina è un dimero che presenta due teste aventi struttura globulare, siti catalitici, 2 colli ad α-elica, interrotta dalle catene leggere associate e una lunga coda formata dall’avvolgimento reciproco dei tratti ad α-elica delle due catene pesanti. Le molecole di miosina si assemblano in modo tale che le code siano rivolte verso il centro e le teste verso le estremità → filamento bipolare (con inversione di polarità al centro). Le miosine sono componenti molto stabili dell’apparato contrattile muscolare, sono responsabili della contrazione muscolare in presenza di Ca⁺⁺.

α-Cheratina

Famiglia di proteine chimicamente eterogenee, ma con struttura analoga. Due catene di α-cheratina, formate da un dominio centrale ad α-elica, bastoncellare e 2 domini globulari, alle estremità, con la stessa direzionalità, si avvolgono l’una sull’altra in una superelica a formare dimeri fibrosi di circa 45 nm di lunghezza. Passo dell’elica di 5.15-5.2 Å anziché 5,4 Å. Andamento elicoidale del super avvolgimento sinistrorso. Sono fibre piene, non ramificate, con diametro ca 10 nm, forti, flessibili, con elevata resistenza meccanica che si estendono attraverso il citoplasma di un’ampia varietà di cellule animali, spesso interconnessi ad altri tipi di filamenti intermedi, da ciuffi di sottili ponti trasversali, formati da plectina. Due dimeri si accostano lateralmente, in maniera sfalsata, a formare...