Biochimica I – Proteine

PROTEINE

FUNZIONI GENERALI:

STRUTTURALE: Mantenimento della morfologia delle varie strutture,

 compresa l’impalcatura cell. Collageno, Cheratine, Elastina

DINAMICA: Proteine di trasporto(emoglobina), Enzimi.

 TRADUZIONE DI ENERGIA: Trasformazione da una forma di energia

 ad un’altra. ATPasi, Pompe ioniche, Actina/Miosina.

DIFESA IMMUNITARIA: Immunoglobuline(anticorpi).

 ALIMENTARE: Amminoacidi essenziali.

 PROTEINE

Oligomeriche Monomeriche

Funzionale

Strutturale

PROTEINE

SEMPLICI: CONIUGATE:

solo amminoacidi associate ad altre entità ioniche o molecolari

3

La struttura di una proteina è una sola ed è quella NATIVA, che è

corrispondente alla sua funzione biologica e quindi se viene alterata

pregiudica la funzione biologica della proteina.

STRUTTURA PRIMARIA: Numero di residui aminoacidici nella loro

sequenza.

STRUTTURA SECONDARIA: Conformazione assunte dai tratti di catena

polipeptidica; tali conformazioni sono date dalle interazioni deboli che si

stabiliscono tra i vari amminoacidi e dunque dipendono dalla sequenza

amminoacidica, in natura si sono affermate quelle quelle a più basso

contenuto di energia libera. Abbiamo:

ALFA ELICA

 FOGLIETTO BETA



Una proteina può assumere nei diversi tratti diversi tipi di conformazioni, in

alcuni tratti può avere una conformazione del tutto casuale.

STRUTTURA TERZIARIA: la struttura tridimensionale complessiva assunta

dall’intera catena polipeptidica data dal ripiegamento e dall’interazione tra le

diverse strutture secondarie. STRUTTURA GLOBULARE in cui è presente

un’alternanza di andamenti ordinati e random.

STRUTTURA QUATERNARIA: E’ una struttura oligomerica di tipo funzionale.

Aggregazione funzionale di vari monomeri, in cui ogni monomero influisce

sull’attività di quello accanto, conferendo carattere cooperativo.

AMMINOACIDI

STRUTTURA DEGLI AMMINOACIDI

I monomeri che costituiscono le proteine sono gli -amminoacidi. Il gruppo



amminico è legato al carbonio adiacente al gruppo carbossilico, sono legati



a un atomo di H e ad una catena laterale R che è diversa per ogni

amminoacido.

La struttura generica degli amminoacidi ordinari è la seguente

COOH

|

H-C-R |

NH 2

Per eliminazione di una molecola di acqua, il gruppo amminico di un

amminoacido può legarsi al gruppo carbossilico di un altro

4

-

H N-CH-COOH + H N-CH-COOH --> H N-CH-CO NH-CH-COOH + H O

2 2 2 2

I I I I

R R R R

il legame che unisce due amminoacidi, evidenziato in rosso, prende il nome

di legame peptidico. Una catena di più amminoacidi legati attraverso legami

peptidici prende il nome di generico di polipeptide, uno o più polipeptidi, a

volte accompagnati da altre molecole ausiliarie, costituiscono una proteina.

STEREOCHIMICA DEGLI –AMMINOACIDI



Un atomo di C è detto chirale o centro di chiralità o stereocentro o carbonio

assimetrico se legato a 4 sostituenti diversi. Se una molecola contiene un

carbonio assimetrico può avere 2 possibili stereoisomeri distinguibili detti

enantiomeri. Gli enantiomeri L e D possono essere distinti perché in

soluzione ruotano il piano della luce polarizzata in direzioni opposte.

Tutti gli amminoacidi tranne la glicina(2 dei gruppi legati al C sono uguali)



possono esistere nella forma D o L.

Tutti gli amminoacidi incorporati dagli organismi nelle proteine sono nella

forma L.

PROPRIETA’ DELLE CATENE LATERALI DEGLI AMINOACIDI

Sono venti e vanno considerati in gruppi:

 AMMINOACIDI ALIFATICI: Hanno un gruppo R alifatico con la catena

che è crescente in termini di C.

Glicina, Alanina, Valina, Leucina, Isoleucina

 AMMINOACIDI CON CATENE LATERALI CONTENENTI ZOLFO o

GRUPPI OSSIDRILICI: Sono + idrofilici degli alifatici .

Serina: funzione alcolica e interviene nelle reazioni di esterificazione;

Metionina: è un amminoacido essenziale, è il donatore di gruppi metilici,

senza l’apporto necessario si istaurano patologie(anemie…);

Cisteina: Si distingue per 2 aspetti, la catena laterale si dissocia a PH

elevato; tra le due catene laterali di cisteina si può avere un’ossidazione

che porta alla formazione di un ponte disolfuro, il prodotto di

quet’ossidazione è detto cistina, maggiore è la quantità di cisteina,

maggiore è la compattezza della proteina;

Treonina. 5

 AMMINOACIDI AROMATICI: Contengono gruppi aromatici e avendo

anelli con doppi legami coniugati assorbono fortemente la luce nella

regione dello spettro ultravioletto corrispondente.

Fenilalanina: E’ uno degli amminoacidi più idrofobici ed è un amminoacido

essenziale;

Tirosina: E’ importante perché è un residuo amminoacidico importante nel

recettore per l’insulina, ha carattere idrofobico e si dissocia a pH elevato;

Triptofano: Amminoacido essenziale che ha nel gruppo aromatico un

pirrolo.

 AMMINOACIDI BASICI: Quando un gruppo carbossilico diventa

carbonilico, cioè perde la carica negativa, il suo gruppo amminici

diventa da primario a secondario, cioè perde a capacità di coordinare

un protone e quindi non presentano cariche se non a livello delle catene

laterali. Sono fortemente polari perciò si trovano sulla superficie esterna

delle proteine dove possono essere idratate dall’ambiente acquoso

circostante.

Istidina: meno basico dei tre;

Lisina;

Argirina .

 AMMINOACIDI ACIDI e AMMIDI CORRISPONDENTI: Sono tutti

amminoacidi sintetizzabili. Le ammine presentano un gruppo C=O

Aspartato :

la cui ammina è l’ Asparagina;

Glutammato: la cui ammina è il Glutammato. NH 2

 AMMINOACIDO CICLICO: Prolina: anello alfa iminoacido,porta a punti

di discontinuità nella struttura primaria che influenzano la secondaria e

la terziaria.

STRUTTURA SECONDARIA

Le proteine possono assumere diverse strutture ma ci sono delle restrizioni a

cui devono attenersi.

Gli atomi che costituiscono il legame peptidico stanno su un piano.

o Perché O, N, C, fra loro si distribuiscono a carattere di =. La distanza

tra C e N è intermedio tra = e - . Quindi atomi tenuti insieme da = non

possono ruotare, gli atomi sono su un piano e l’unica possibilità di

rotazione è a monte di questo piano. 6

La carica presente sui gruppi R. Gruppi R carichi sono presenti nei

o residui di glutammato e aspartato e in quelli basici. Quando i residui in

base alla posizione tridimensionale si trovano vicini possono esercitare

atrazione o repulsione.

Le dimensioni dei gruppi R.

o

Pauling scoprì strutture che rispondevano a tutti questi requisiti.

 elica: è una struttura stabilizzata da legami a idrogeno tra H del



gruppo amminico e il gruppo carbonilico che segue tre posizioni dopo e

che in virtù dell’avvolgimento si confronta con NH che si trova a

distanza compatibile per formare un legame a H. (i legami a H hanno

basso contenuto energetico ma trovandosi tutti sull’asse di

avvolgimento nella stessa direzione contribuiscono al mantenimento

della struttura).

I legami a H sono localizzati entro una singola catena polipeptidica. L’

elica si ripete ogni 18 residui e corrisponde a 5 giri: presenta 3.6



residui per giro.

Ogni O carbossilico forma un legame a H con il protone amminico del

quarto residuo successivo nell’elica, quindi ogni legame a H chiude un

ansa formata da 13 atomi. Importante è la dimensione del gruppo R,

quando grazie alla rotazione gruppi R di grandi dimensioni si trovano

vicini e possono non essere alloggiati, creando destabilizzazione.

La struttura ad elica è caratteristica delle cheratine, proteine fibrose

 

(ossia caratterizzate da una sola conformazione) con funzione

strutturale presenti in tutte le formazioni cornee

 Foglietto ha una struttura distesa e i gruppi R sono al di sopra e al di



sotto del piano. Caratterizzata da una serie di peptici che decorrono

affiancati tra loro con un andamento che può essere parallelo o

antiparallelo.

Parallelo significa che i peptici iniziano tutti con l’estremità carbossilica

da un lato e quella amminica dall’altro.

Nell’antiparallelo abbiamo un’alternanza di direzione N—C, i polipeptidi

affiancati hanno polarità opposta.

I legami a H sono tra catene adiacenti.

I residui R sono localizzati nello spazio tra i foglietti ortogonalmente.

Questi residui hanno a disposizione spazi tra loro variabili ma sempre

limitati, altrimenti non ci sarebbe la robustezza necessaria, visto che si

tratta di proteine di sostegno. Per questo troviamo gruppi alterali con

catene R di modeste dimensioni. 7

 Elica 3 si può riscontrare in alcune proteine ma non è diffusa come l’a

10

elica.

 p

Elica sebbene sia stericamente possibile non è mai stata osservata.

PROTEINE FIBROSE

Le proteine fibrose hanno una forma allungata e, a differenza delle proteine

globulari, sono costituite da un unico elemento di struttura secondaria: eliche

o strutture b.

Sono in genere caratterizzate da elevata resistenza meccanica alla trazione,

rigidità e compattezza, ma alcune sono flessibili ed elastiche. Sono quindi

particolarmente adatte a svolgere funzioni strutturali.

Una di esse, il collageno è la più abbondante delle proteine fibrose nei

vertebrati

Il collagene

E’ la proteina + abbondante presente nei vertebrati, con concentrazioni che

variano in funzione della specie da 20 al 40%. E’ la sostanza principalmente

presente nei tessuti connettivi. Si presenta sotto varie forme: nelle ossa (con

precipitazione di cristalli di idrossipatite), nei tendini (sotto forma di fibre

allineate), nella cornea, nel cristallino, nella parete dei vasi (associata

all’elastina. COLLAGENO

Proprietà Resistenza, Rigidità, Insolubilità

Quantità 20-40% in tutte le proteine

Localizzazione Extracellulare

Struttura Polimorfa non meno di 12 tipi diversi di collageno con

altrettanti tipi di catene costituenti.



Unità fondamentali Tropocollageno (dim 30nm X 1,5nm)

Non c’è ancora una stima precisa sui tipi di collageno, da 15 a 19 secondo le

ultime teorie. I vari tipi di collageno si distinguono nella sequenza primaria

delle catene che costituiscono il tropocollageno, l’elemento fondamentale.

Il collageno di tipo I, il + diffuso, è caratterizzato dalla mancanza di cisteina e

triptofano. Le peculiarità del collageno variano a seconda della funzione.

Nell’ uomo è maggiormente presente nel muscolo e nelle ossa e nella pelle,

ma è distribuito + o meno ovunque. Facendo una micrografia elettronica del

collageno si vedono fibre dotate di una striatura periodica, che il risultato

dell’allineamento delle unità di tropocollageno. 8

Le fibre collageno sono date dalla polimerizzazione di tropocollagene.

Il TROPOCOLLAGENE è una proteina dotata solo di struttura secondaria,è

una tripla elica, di tre catene di polipeptidi, ciascuna lunga circa mille residui.

Le singole catene sono eliche sinistrorse che si avvolgono l’una all’altra in

senso destrorso, stabilendo legami H. Ciò garantisce che non si potrà

svolgere spontaneamente, infatti lo srolotolamento in un punto centrale

porterebbe ad un superavvolgimento.

In questa struttura troviamo alcune peculiarità:

La struttura tipica dell'elica del collageno è dovuta alla particolare

Y sequenza amminoacidica delle catene, che è costituita per oltre un

terzo da glicina e per almeno un quinto da prolina e idrossiprolina.

Presenta di una sequenza primaria ripetitiva: GLY-PRO-OHPRO-GLY

Un residuo ogni 3 deve giacere in prossimità del centro della tripla elica,

Y e può essere esclusivamente una glicina, perché qualsiasi altra catena

R sarebbe troppo ingombrante.

Legami idrogeno intercatena fra il gruppo R della glicina e il gruppo

Y ossidrilico sui residui di prolina.

Presenza atipica di prolina in maniera abbondante di norma

Y incompatibile con la struttura ad elica. La prolina è presente sempre



all’esterno della triplice elica, sono residui rigidi, planari, idrofobici ed

essendo periodici danno insolubilità , rigidità e contribuiscono a dare un

andamento ordinato. Presenza di lisina, che forma i siti di attacco per i

polisaccaridi e permette anche la formazione di legami crociati.

Presenza di idrossiprolina e idrossilisina. In natura non esistono transfer

Y per le forme idrossilate perciò il processo avviene a proteina già

assemblata.

Vediamo come avviene:

Il precursore non idrossilato del collagene è detto procollagene, dove i

residui di prolina sono situati a due residui dalla glicina.

Questo è il substrato preferito dalla procollagene-prolina idrossilasi, un

enzima che necessita di un atomo di Fe ferroso , di acido ascorbico, O

molecolare, –chetoglutarato; che verrà ossidato a succinato e CO .

 2 9

L’ac. Ascorbico riduce l’O di cui un atomo è incorporato dal succinato e

2

l’altro nel gruppo ossidrilico dell’idrossiprolina.

Sono catalizzate da enzimi(vedi su) Prolil monossigenasi e Lisil

monossigenati entrambi metallenzimi che presentano come ione

metallico lo ione ferroso, se lo ione ferroso transita passa a ione ferrico,

l’ enzima non è più in grado di catalizzare la reazione. La necessita di

mantenere sempre ridotto lo ione viene realizzata dall’intervento dell’

acido ascorbico.

Una forte carenza di vitamina C (scorbuto) porta ad un’indebolimento

delle fibre collagene, diovuto alla mancata idrossilazione della prolina.

COO- COO-

O + + CO

2 2

O= COO-

COO- HO

Succinato

a-Chetoglutarato \

Acido ascorbico

\ \

2+

Fe

X N C­NH­ X N C­NH­

Procollagene-prolina

/ \ / II / \ / II

idrossilasi

- C O - C O

Glicina Glicina

II II

O O

Segmento peptidico Segmento peptidico

del procollagene del collagene

contente

idrossiprolina

IDROSSILAZIONE ENZIMATICA DEI RESIDUI DI PROLINA DEL

PROCOLLAGENE DURANTE LA SINTESI DEL COLLAGENE.

Il destino dei due atomi della molecola di O è indicato in rosa. X è un qualsiasi

residuo amminoacidico. 10

LA BIOGENESI DEL COLLAGENO

Le catene polipeptidiche che daranno origine al collageno sono sintetizzate

nel reticolo endoplasmatico rugoso dei fibroblasti sotto forma di un precursore

chiamato procollagene che va poi incontro ad una serie di modificazioni

postraduzionali. Le varie fasi sono:

 a

Sintesi delle catene pro si forma questa catena pro che contiene un



numero di residui ridondante rispetto alla catena matura. Questi aa si

trovano alle estremità e sono residui polari ricchi di cisteine, questo la

rende ancora + solubile e favorisce l’assemblaggio delle tre eliche.

 Monossigenazione In questa fase avviene l’idrossilazione dei residui di

prolina e lisina. In realtà l’H è già presente quindi viene aggiunto solo

l’O. Questa reazione avviene come spiegato sopra.

 Glicosilazione Un disaccaride formato da galattosio e glucosio è legato

alla 5-idrossilina. La funzione di tali carboidrati nella collageno è

sconosciuta.

 Assemblaggio in procollageno si organizza in una super elica che è il

procollagene. Caratteristica la presenza sull’ N terminale e sul C

terminale di catene che hanno un andamento globulare, dovuto alla

presenza di gruppi polari e residui di cisteina che creano un punto

d’inizio alla trascrizione dato dalla formazione di ponti disolfuro tra essi,

permettono il corretto allineamento delle tre catene e prevengono la

formazione prematura del tropocollageno e del collagene all’interno dei

fibroplasti

 Esocitosi il procollageno viene estromesso dalla cell per raggiungere la

localizzazione extracellulare una volta esocitato ci sono degli enzimi

idrolitici, pro-collageno peptidasi, che allontanano delle sequenze,

acquisisce idrofobicità. Vicino ai fibroblasti le varie unità di

tropocollageno si uniscono a formare le microfibrilla. Si formano legami

trasversali a livello delle eliche triple del tropocollageno e le microfibrilla

si uniscono a formare le fibre del collagene mature. In esse ogni

molecola di tropocollageno è spostata di un quarto della sua lunghezza

rispetto a quelle vicine, dunque si ha completa sovrapposizione solo

ogni 5 molecole. La distanza tra l’estremità C-terminale di una molecola

e quella N-terminale della molecola adiacente è di 32 nm e nell’osso è

riempita con un fosfato di calcio,l’idrossiapatite. 11

Per dare stabilità alla struttura intervene la formazione di legami covalenti

detti traversi, o crociati. Perchè ciò avvenga è necessaria una reazione a

carico dei residui di lisina che interessa il Ce della lisina.

Questa reazione è catalizzata da un enzima, lisil-ossidasi , presente nella

regione extracellulare e prevede liberazione del gruppo amminco sottoforma

di ammoniaca (NH ) e di O molecolare (O ).Porta alla formazione di

3 2

ALLISINA un composto in cui il C della lisina diventa aldeidico.



O NH H

3

II I I

C—C—CH —CH —CH —CH —NH --CH —CH —CH —C=O

2 2 2 2 2 2 2 2

a b g d e

I

NH O

2

Lisil-ossidasi

LISINA ALLISINA

Questo composto ora può dare origine a una serie di reazioni. Ne esistono di

due tipi:

1. Una lisina o un idrossilina viene ossidata da lisinaossidasi diventando

allisina; reagisce poi per sottrazione di una molecola d’acqua con

un’altra lisina a formare una base di Schift che viene in seguito ridot