Appunti di Biologia Molecolare

Ripiegamento delle proteine

I chaperon molecolari sono proteine che assistono altre proteine nel ripiegamento. Il prodotto finale della biosintesi proteica non è una proteina perfettamente funzionante, infatti, per essere definita tale, deve anzitutto ripiegarsi, deve andare incontro a ripiegamento (folding).

Successivamente, in base al tipo di funzione che dovrà svolgere, la proteina potrà andare incontro ad ulteriori tipi di modificazioni post-traduzionali, quali ad esempio:

• Glicosilazione.
• Inserimento di gruppi prostetici.
• Modificazione chimica d'alcuni residui amminoacidici, ecc.

Tutta l'informazione di cui un polipeptide necessita per adottare la struttura nativa corretta, è contenuta nella propria sequenza amminoacidica. L'acquisizione della struttura tridimensionale è indispensabile alla proteina per il suo corretto funzionamento. Durante il ripiegamento spontaneo il polipeptide passa attraverso due stadi principali prima di...

Raggiungere la sua struttura tridimensionale nativa. Questi stadi sono:

1. La formazione dei motivi strutturali secondari, (α eliche e foglietti β).

2. La formazione della struttura terziaria.

Per quanto concerne la formazione delle α eliche e dei foglietti β, essa si realizza grazie al fatto che gli amminoacidi idrofobici, presenti nella struttura primaria delle proteine, abbiano la tendenza naturale a rifuggire l'H2O. Essi tendono quindi ad aggregarsi gli uni con gli altri, all'interno di nuclei idrofobici denominati "core", determinando la formazione delle strutture secondarie ed il collasso della proteina in un'organizzazione compatta. Successivamente i motivi strutturali secondari (α eliche e foglietti β), interagiscono tra loro in maniera tale da originare la struttura terziaria, la quale si formerà gradualmente passando attraverso una serie di conformazioni intermedie.

Per anni si è assunto che in tutte le proteine

nonfunzionanti. In vivo il ripiegamento delle proteine intracellulari è molto rapido. Le cellule d'Escherichia coli, ad esempio, sintetizzano una molecola proteica di 100 amminoacidi, in circa 5 secondi, alla temperatura di 37°C.

Oggi si sa, che il ripiegamento corretto di una proteina, oltre che dalla sua composizione amminoacidica, è determinato dall'aiuto d'altre proteine, note come chaperon molecolari. I chaperon molecolari furono in origine descritti come proteine da shock termico; poiché si osservò che nelle cellule di Drosofila, per esposizione alle alte temperature, la concentrazione di una particolare proteina di 70000 Da di peso molecolare, aumentava enormemente, tale proteina fu indicata come Hsp 70. Si era inoltre notato che esponendo le cellule a temperature di 35/37°C, si rilevava un calo nella sintesi delle altre proteine della cellula, e i dispositivi deputati alla sintesi proteica lavoravano a ritmi serrati per la sintesi delle

Hsp 70, il cui ruolo era quello di ripristinare la struttura tridimensionale di proteine che in seguito allo shock termico erano andate incontro a denaturazione.

Questi chaperon molecolari non è vero che si producono solo a causa delle alte temperature, ma vengono prodotti anche in seguito a svariati stimoli o agenti tossici:

• Fattori ambientali: shock termico, metalli pesanti, agenti chemioterapici.
• Stati patologici: infezioni virali, infiammazioni, febbre, neoplasie.
• Fattori cellulari normali: ciclo di divisione cellulare, fattori di crescita.

I chaperon molecolari possiedono all'estremità N-terminale una sequenza di circa 450 amminoacidi detta dominio ATPasico che serve per riconoscere e legare l'ATP, ed una sequenza di circa 200 amminoacidi all'estremità C-terminale detta dominio di riconoscimento del substrato che riconoscerà e legherà le proteine da assistere.

Dominio ATPasico Dominio di riconoscimento del substrato ≈ 200

Aa450 AaFUNZIONE GENERALE DEI CHAPERON MOLECOLARII chaperon molecolari svolgono la loro azione legandosi a residui idrofobici esposti della proteina target. La loro azione, in questo modo, è duplice:

1. Legandosi ai residui idrofobici, impediscono che questi possano interagire con altri residui idrofobici di proteine vicine nel tentativo di proteggersi dal contatto con l'acqua, e quindi impediscono la formazione degli aggregati insolubili.
2. Impediscono che i residui idrofobici della stessa proteina si aggreghino prematuramente tra loro originando una conformazione errata.

Esistono due tipologie di chaperon molecolari.

Chaperon (chaperoni di piccole dimensioni). Assistono le proteine durante la sintesi proteica, quindi mentre il ribosoma sta traducendo l'mRNA, la proteina è in via di sintesi e il chaperon assiste la proteina nascente.

Chaperonine (chaperoni di grandi dimensioni). Agiscono quando il polipeptide è stato completamente sintetizzato o anche su...

proteine che hanno perso, per un motivo e per l'altro, la loro struttura nativa. 46 CHAPERON MOLECOLARI PROCARIOTICI Per la comprensione del meccanismo d'azione dei chaperoni, prenderemo in esame le DnaK. Per quanto concerne, invece il meccanismo d'azione delle chaperonine esamineremo, il funzionamento del complesso proteico GroEL/GroES. In entrambi i casi si tratta di proteine procariotiche anche se negli eucarioti è stata riscontrata la presenza di proteine omologhe, che vengono indicate rispettivamente come Hsp70 (quella omologa a DnaK), e Hsp60/Hsp10 (complesso omologo a GroEL/GroES). DnaK. È un chaperone, piccola proteina che ha il compito di assistere i polipeptidi in vis di sintesi. Quando si avvia il processo di traduzione, DnaK, che si trova localizzata nei pressi dei ribosomi in attività, riconosce una sequenza di amminoacidi idrofobici appartenenti al peptide nascente, e con essi stabilisce dei contatti. In realtà, la proteina DnaK si lega alla proteina nascente,

apreliberando le proteine solo a ripiegamento avvenuto correttamente. Per questa ragione si dice che GroEL/GroES funga da gabbia: la gabbia di Anfisen. In condizioni di riposo GroEL espone verso l'interno della cavità, in prossimità dei siti di riconoscimento della proteina, gli amminoacidi idrofobici (quelli che nella figura a fianco sono rappresentati in blu elettrico).

Questo perché, così la proteina che non ancora ripiegata esporrà gli amminoacidi idrofobici verso l'esterno e potrà interagire con GroEL. Quindi abbiamo una proteina non ripiegata dentro l'alloggiamento superiore di GroEL.

Una volta che il polipeptide entra nella cavità superiore, intervengono 7 molecole di ATP che si legano in prossimità dei domini ATPasici di ciascuna delle 7 subunità costituenti l'alloggiamento superiore.

Assieme all'ATP, entra in gioco anche GroES che si dispone al di sopra dell'alloggiamento in cui è.

contenuta la proteina, come fosse un tappo. La proteina a questo punto è proprio ingabbia!!! L'idrolisi dell'ATP a ADP da parte di ciascuna delle 7 subunità fa sì che in esse si verifichi una modificazione conformazionale tale che, le subunità non esporranno più, verso il centro della cavità, i loro amminoacidi idrofobici, bensì i loro amminoacidi idrofilici (come si vede dalla figura, infatti, quei cerchietti blu elettrico che rappresentavano i domini idrofobici nella figura precedente ora non ci sono più e sono rimasti soltanto nella cavità inferiore). In virtù di tale modificazione conformazionale, la proteina non ancora ripiegata non trovando più gli amminoacidi idrofobici.