Appunti di biochimica strutturale

Amminoacidi essenziali

Sono 8: triptofano, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, valina, leucina e isoleucina. Vengono definiti essenziali perché non possono essere prodotti dal nostro organismo da precursori, e devono essere quindi introdotti con la dieta.

Legame peptidico

Il legame peptidico è un legame covalente di tipo carbammidico (O=C-N). Si forma per condensazione di due amminoacidi con i gruppi COOH e NH2 e rimozione di una molecola di H2O. Può essere rotto per idrolisi introducendo H2O (H+ all'azoto, OH- al gruppo carbossilico).

Questo legame ha caratteristiche intermedie tra quelle di un legame singolo e un legame doppio, infatti viene definito legame singolo perché di fatto vengono messi in condivisione 2 elettroni (1 da C, 1 da N), ma è funzionalmente un legame doppio perché la rotazione attorno a questo legame è impedita. Si forma quindi una struttura planare bidimensionale attorno a questo.

legame.

Proteine

Proteine: polimeri di amminoacidi che assumono struttura tridimensionale grazie alle interazioni dei loro monomeri.

Estremità ammino-terminale: porzione iniziale di una proteina, con NH3+ libero.

Estremità carbossi-terminale: porzione finale di una proteina, con COO- libero.

Stima del peso molecolare di una proteina

Il peso molecolare di una proteina si stima moltiplicando il peso medio di un amminoacido (110 Dalton) per il numero diamminoacidi presenti in catena.

Punto isoelettrico di una proteina

Punto isoelettrico: valore di pH per il quale una proteina, seppur possieda una carica elettrica, risulta neutra in un campo elettrico (e quindi non migra su una piastra attraversata da corrente).

Proteine monomeriche e proteine multimeriche

Le proteine monomeriche sono formate da una singola catena di amminoacidi, mentre le proteine multimeriche sono formate da più catene amminoacidiche diverse che si associano per garantire una funzione più complessa.

rispetto a singoli monomeri. Proteine coniugate Sono proteine legate a lipidi (lipoproteine), carboidrati (glicoproteine o proteoglicani), gruppi fosfato (fosfoproteine), gruppi prostetici (come avviene nell'emoglobina tramite il legame con il gruppo eme) o ioni (come avviene per l'alcoldeidrogenasi tramite il legame con lo zinco). Funzioni associate alle proteine Le funzioni associate alle proteine sono catalisi enzimatica (es. piruvato deidrogenasi), movimento (es. actina e miosina), trasporto (es. emoglobina), difesa (es. anticorpi), crescita e differenziamento (es. fattori di crescita e altri ormoni peptidici), sostegno (es. collagene) e comunicazione (es. neurotrasmettitori). Strutture principali delle proteine Le due strutture principali delle proteine sono globulare (come l'emoglobina) e fibrosa (come il collagene). Come per tutte le macromolecole, dalla struttura deriva la funzione della proteina. Denaturazione di una proteina La denaturazione è un processo.attraverso cui, a causa di temperatura, pH o detergenti, viene persa la struttura tridimensionale della proteina. Questo fenomeno è irreversibile perché insieme alla struttura vengono perse anche le informazioni per ricrearla. Quattro livelli di struttura proteica Struttura primaria: creata dalla sequenza di amminoacidi. Struttura secondaria: costituita da ponti idrogeno a formare alfa eliche e foglietti beta. Struttura terziaria: configurazione tridimensionale della proteina, data da interazioni idrofobiche, ioniche e ponti disolfuro. Struttura quaternaria: non sempre è presente, dipende dall'unione di più catene polipeptidiche. Grafico dei domini di idrofilicità e idrofobicità di una proteina Tramite un grafico di questo tipo possiamo riconoscere se la proteina è transmembrana, osservando porzioni idrofiliche (nel citosol e nell'ambiente extracellulare) alternate a porzioni idrofobiche (inserite nel doppio strato lipidico).

Sono i domini transmembrana). Conformazioni tipiche della struttura secondaria di una proteina:

Le conformazioni tipiche sono l'alfa elica (avvolgimento) e il beta foglietto (ripiegamento).

Struttura ad α-elica:

L'alfa elica è una struttura secondaria che attraverso legami idrogeno crea un avvolgimento dei piani dei legami peptidici attorno ad un asse, nella stessa direzione. Segue dei parametri: ogni giro dell'elica ha 3.6 amminoacidi (36 amminoacidi in 10 giri), i ponti idrogeno si instaurano tra NH coinvolto in un legame peptidico e OH legato al carbonio di un altro legame peptidico a 4 aa di distanza.

Distinzione tra α-eliche destrorse e sinistrorse:

Nelle destrorse l'avvolgimento è antiorario, nelle sinistrorse è orario. In tutti e due i casi le catene laterali (-R) degli amminaocidi sono rivolte all'esterno.

Prolina e interruzione delle α-eliche:

L'alfa elica viene interrotta tramite una prolina, che ha la catena laterale

opposte.β-turn e β- barrel

Un beta-turn (ripiegamento a forcina) è una struttura secondaria costituita da 4 amminoacidi (tra cui glicina e prolina), che consente di far cambiare repentinamente direzione alla sequenza. Un beta-barrel (cestino), è una struttura secondaria a forma di canestro tipica delle proteine che fungono da poro.

Interazioni che costituiscono la struttura terziaria di una proteina

Interazioni: deboli ioniche (es. NH3+ e COO-), ponti idrogeno (es. C=O e NH), idrofobiche (creano cluster alifatici), ponti disolfuro. Tutte le interazioni che creano la struttura terziaria dipendono dalla termodinamica, perché una volta posta in acqua la proteina assume la conformazione che la rende più stabile (amminoacidi apolari lontani dall'acqua, catene laterali polari esposte).

Cisteina nella struttura terziaria

La cisteina (R:-CH2-SH) può creare un ponte disolfuro con un'altra cisteina in ambiente ossidante, contribuendo a formare la

struttura terziaria. Questo è un legame forte ma può essere interrotto facilmente ponendo la proteina in ambiente riducente.

Struttura quaternaria di una proteina

La struttura quaternaria è formata da interazioni deboli reversibili, ovvero la collaborazione di più unità (strutture terziarie) che associate permettono alla proteina di acquisire capacità funzionali e proprietà diverse rispetto ai singoli monomeri.

Anemia falciforme come esempio per comprendere l'importanza degli amminoacidi di superficie nella struttura quaternaria

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Nell'emoglobina normale la superficie del tetramero ha glutammato (carico negativamente), che permette la repulsione e la non aggregazione tra le diverse emoglobine. Nell'emoglobina S (variante dell'anemia falciforme), il glutammato viene sostituito da una valina, che non ha carica, e questo porta alla modifica dell'intera struttura quaternaria, che priva di metodi di repulsione si

aggrega ad altre emoglobine e crea lunghe fibre.

Danni causati dall'emoglobina S nell'anemia falciforme

Danni strutturali: gli aggregati lineari precipitano e modificano la struttura biconcava dell'eritrocita, che prende una forma "a falce".

Danni funzionali: l'intera struttura dell'emoglobina è modificata e l'ossigeno non viene più legato in modo ottimale.

Sostituzioni conservative e non conservative nelle proteine

Le sostituzioni conservative consistono nella modifica (in codifica) di un amminoacido, sostituito per mutazione con un amminoacido che più o meno ha le stesse caratteristiche (probabilmente queste sostituzioni non porteranno a patologia).

Le sostituzioni non conservative prevedono invece la modifica di un amminoacido con un altro che non ha le stesse caratteristiche, come avviene tra glutammato e valina nell'anemia falciforme (queste sostituzioni esitano per la maggior parte in patologie).

Mioglobina,

emoglobina e glutatione

Mioglobina

La mioglobina è una proteina monomerica globulare (153 aa) che funge da serbatoio di ossigeno all'interno del tessuto muscolare. Viene associata all'emoglobina perché da essa (che è trasportatore) riceve l'ossigeno dal torrente ematico.

Funzione della tasca idrofobica creata dalle eliche E, F e C della mioglobina

Nella tasca idrofobica trova alloggio l'eme, molecola quasi interamente idrofobica, planare e rigida che al centro ha un atomo di Fe2+ che lega l'ossigeno (è la parte funzionale della proteina). Fe2+ deve rimanere in ambiente idrofobico perché in acqua verrebbe ossidato a Fe3+.

Gruppo eme

Gruppo eme: Fe2+ al centro, 4 anelli pirrolici (tetrapirrolo), 4 ponti metinici, 4 gruppi metilici, 2 gruppi vinilici, 2 gruppi propionici (idrofilici, si rivolgono verso l'apertura della tasca idrofobica). Il gruppo eme lega l'ossigeno su Fe2+, sia nella mioglobina che nell'emoglobina, con

affinità diverse date dall’intorno proteico.

Legami del ferro presente al centro del gruppo emeFe2+ presente al centro dell’eme fa 6 legami: 4 legami sullo stesso piano con atomi di azoto degli anelli pirrolici e 2legami perpendicolari a questo piano (uno con O2, uno con l'istidina prossimale).

Istidina prossimale e istidina distale della mioglobina

L’istidina prossimale (His prossimale) è l’amminoacido 93 e si lega con l’azoto del suo imidazolo al Fe2+ dell’eme,creando un legame di coordinazione Fe-proteina che trattiene l’eme nella tasca idrofobica. L’istidina distale (His distale)è l’amminoacido 64 e ingombra il sito di legame del Fe2+ per O2, in modo che il gas non venga legato in modoperpendicolare, ma in modo “obliquo”, diminuendo l’energia di legame che altrimenti sarebbe troppo forte per poterpermettere il rilascio di O2 ai tessuti.

Altre molecole in cui è presente il gruppo

citocromi b) e nei perossidasi (eme P). L'eme è una molecola composta da un anello tetrapirrolico con un atomo di ferro al centro. Questa struttura conferisce all'eme la capacità di legare l'ossigeno e di partecipare a reazioni di ossidoriduzione. Nelle proteine che contengono eme, l'anello tetrapirrolico è legato a una catena laterale di amminoacidi che stabilizzano la struttura e permettono l'interazione con altre molecole. L'eme è fondamentale per il trasporto dell'ossigeno nel sangue (tramite l'emoglobina) e per il trasporto degli elettroni nelle reazioni di respirazione cellulare (tramite i citocromi).