Biochimica, riassunti (prof.ssa Pazzagli)

Biochimica  

La  struttura  tridimensionale  di  una  proteina  è  determinata  da  5  fattori:  

1. La  struttura  tridimensionale  di  una  proteina  è  determinata  dalla  sua  sequenza  

amminoacidica

2. La  funzione  di  una  proteina  dipende  dalla  sua  struttura

3. Una  certa  proteina  presenta  un’unica  o  poche  conformazioni  stabili

4. Le   forze   più   importanti   che   stabilizzano   una   proteina   sono   interazioni   non  

covalenti

5. Esistono   modelli   strutturali   comuni   che   consentono   di   classificare   le   varie  

strutture  proteiche

La  conformazione  delle  proteine  segue  il  principio  dell’energia  libera  di  Gibbs  in  

cui  le  possibili  conformazioni  sono,  di  solito,  quelle  termodinamicamente  più  stabili  e  

con  la  minore  energia  libera  di  Gibbs.    

La  struttura  secondaria  delle  proteine  sono  principalmente  due:  conformazioni  α  

e  β.  La  più  semplice  disposizione  che  può  assumere  una  catena  peptidica  con  i  legami  

peptidici   rigidi,   è   una   struttura   elicoidale   chiamata   α-­‐elica.   L’unità   ripetitiva   è   un  

singolo   giro   dell’elica   che   si   estende   per   la   lunghezza   di   5,4   Å Cinque   fattori   che  

.  

alterano  la  stabilità  di  un’α-­‐elica:  

repulsione  elettrostatica

1. La    tra  i  residui  amminoacidi  con  gruppi  R  carichi

dimensione  

2. La   dei  gruppi  R  adiacenti

L’interazione  

3. fra  catene  laterali  spaziate  da  tre  o  quattro  residui

residui  di  Pro  e  Gly

4. La  presenza  di  

interazioni

5. Le       fra   gli   amminoacidi   all’estremità   dell’elica   e   il   dipolo   elettrico  

generato  da  questa  struttura.

I   foglietti   β   invece   hanno   lo   scheletro   covalente   della   catena   polipetidica   estesa  

con  un  andamento  a  zig  zag  invece  che  elicoidale.  In  questa  struttura  i  segmenti  che  

formano  il  segmento  β  sono  solitamente  vicini  sulla  catena  polipetidica,  ma  possono  

anche   essere   abbastanza   lontani   l’uno   dall’altro   nella   sequenza   lineare   del  

polipeptide.    

La  struttura  terziaria  di  una  proteina  descrive  invece  la  disposizione  di  tutti  i  suoi  

atomi   nello   spazio   tridimensionale.   Mentre   la   struttura   secondaria   si   riferisce   a   una  

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speciale   disposizione   di   residui   amminoacidici   che   sono   adiacenti   nella   struttura  

lungo  raggio

primaria,  la  struttura  terziaria  tiene  conto  delle  interazioni  a   .  I  cambi  di  

direzione  dipendono  dal  numero  e  dalla  specifica  posizione  di  amminoacidi  capaci  di  

Pro Gly Ser

produrre  inversioni  come  i  residui   ,   ,   .  Considerando  questi  livelli  strutturali,  

conviene  raggruppare  i  vari  tipi  in  due  insiemi  ben  definiti  di  proteine:    

Proteine  fibrose,  che  hanno  catene  polipeptidiche  disposte  in  lunghi  fasci  o  

• in   foglietti.   Sono   costituite   in   gran   parte   da   un   unico   tipo   di   struttura  

secondaria.   Fanno   parte   di   questa   categoria   proteine   che   conferiscono  

resistenza   e   protezione   esterna.   Tutte   le   proteine   fibrose   sono   insolubili   in  

acqua,   caratteristica   che   dipende   dall’alta   concentrazione   di   amminoacidi  

idrofobici   all’interno   e   sulla   superficie   della   proteina.   Per   esempio   nei  

mammiferi  α-­‐cheratina  si  è  evoluta  per  resistere  alla  tensione.  Rappresenta  la  

quasi   totalità   del   peso   secco   dei   capelli,   lana,   unghie...   L’   α-­‐elica   dell’   α-­‐

cheratina   è   destrorsa   ed   è   organizzata   in   un   avvolgimento   avvolto.   Due  

filamenti   di   α-­‐cheratina   con   la   stessa   direzionalità   si   avvolgono   una   sull’altra  

Ala

generando  un  superavvolgimento.  Le  α-­‐cheratine  sono  ricche  di  residui  di   ,  

Val Met

,   .   Anche   il   collageno   come   l’   α-­‐cheratina   si   è   evoluto   per   resistere   a  

tendini

stress   di   tensione   ed   è   presente   nel   tessuto   connettivo   come   i   ,  

cartilagine ...   Anch’esso   è   un   avvolgimento   avvolto   costituito   da   tre   catene  

polipeptidiche  superavvolte  le  une  sulle  altre.  L’  avvolgimento  superelicoidale  è  

destrorso,   mentre   le   singole   catene   α   sono   sinistrorse.   La   sequenza  

amminoacidica  tipica  del  collageno  è  costituita  da  un’unità  ripetuta  di  triplette  

Gly-­‐X-­‐Y   Pro   4-­‐Hyp

del  tipo   dove  X  è  molto  spesso    ed  Y  è  molto  spesso   .  I  residui  

di   Gly   sono   gliunici   che   si   possono   adattare   ai   punti   in   cui   le   catene   α   si  

accostano   molto   strettamente;   i   residui   di   Pro   e   4-­‐Hyp   consentono   lo   stretto  

avvolgimento   della   catena   polipetidica   del   collageno.   La   Gly   non   può   essere  

sostituita   da   nient’altro   senza   che   si   abbiano   effetti   deleteri   all’interno   della  

struttura.

Proteine   globulari,   che   hanno   invece   catene   polipeptidiche   ripiegate   e  

• assumono   forme   sferiche   o   globulari.   Sono   costituite   da   più   tipi   di   strutture  

secondarie.  Fanno  parte  di  questa  categoria  proteine  regolatrici  ed  enzimi.  Per  

esempio   la   mioglobina   è   una   proteina   relativamente   piccola   che   lega  

l’ossigeno   nelle   cellule   muscolari   doe   svolgela   funzione   di   conservarlo   e  

rilasciarlo   nel   muscolo   che   si   contrae   rapidamente.   Essa   è   costituita   da   una  

singola  catena  polipeptidica  e  da  un  gruppo  ferro-­‐porfirinico  chiamato  eme;  

lo   stesso   gruppo   è   presente   nella   emoglobina   che   lega   l’ossigeno   negli  

eritrociti  ed  è  responsabile  del  colore  rosso  che  assumono  sia  la  mioglobina  che  

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l’emoglobina.   Lo   scheletro   della   proteina   è   costituita   da   segmenti   compatti   di  

α-­‐eliche  interrote  da  ripiegamenti,  alcuni  dei  quali  β.  I  gruppi  R  idrofobici  per  la  

maggior  parte  sono  presenti  all’interno  della  proteina,  lontano  dal  contatto  con  

l’acqua.  La  molecola  è  così  compatta  che  all’iterno  vi  è  spazio  per  sole  quattro  

molecole   di   acqua.   Questo   denso   nucleo   idrofobico   è   tipico   della   proteine  

globulari.  Il  gruppo  eme  è  confinato  in  una  tasca  della  molecola  di  mioglobina.  

L’atomo  di  ferro  posto  al  centro  è  provviso  di  due  legami  di  coordinazione  

perpendicolari  al  piano  dell’eme.  Uno  di  questi  si  lega  al  gruppo  R  di  un  residuo  

di   Hys   nella   posizione   93;   l’altro   invece   è   il   sito   di   legame   per   la   molecola   di  

ossigeno.   In   questa   tasca   l’accessibilità   del   gruppo   eme   al   solvente   è   molto  

limitata.   Questo   è   un   fattore   cruciale   in   quanto   il   gruppo   eme   libero   in   una  

soluzione  ossigenata  viene  rapidamente  ossidato  e  l’atomo  di  ferro  passa  dallo  

2+

stato   di   ossidazione   Fe ,   capace   di   legare   reversibilmente   l’ossigeno,   a  

3+

Fe  che  non  è  in  grado  di  legare  l’ossigeno.  

La   struttura   terziaria   di   una   proteina   globulare   è   determinata   dalla   sua  

sequenza  amminoacidica.  Esperimenti  hanno  dimostrato  che  la  denaturazione  di  

una   proteina   è   un   processo   reversibile.   Alcune   proteine   globulari   denaturate  

possono   riacquistare   la   loro   struttura   nativa   e   la   loro   attività   biologica   se   vengono  

riportate  nelle  condizioni  in  cui  la  conformazione  nativa  è  stabile.  Questo  processo  è  

chiamato  rinaturazione.  Esempio  classico  è  la  denaturazione  della  ribonucleasi.  

Posta   in   una   soluzione   concentrata   di   urea   in   presenza   di   un   riducente,   essa   si  

denatura  perdendo  la  sua  attività  catalitica.  Quando  però  vengono  allontanati  l’urea  

e   il   reagente   riducente,   la   ribonucleasi   con   avvolgimento   casuale   si   riavvolge  

spontaneamente   nella   struttura   terziaria   corretta,   con   il   ripristino   dell’attività  

catalitica.   Tale   riavvolgimento   è   talmente   accurato   che   i   quattro   ponti   disolfuro  

presenti   nella   proteina,   si   riformano   nelle   stesse   posizioni   occupate   nella   proteina  

nativa.  Secondo  modelli  matematici  esistereberro  105  possibili  combinazioni.  Questo  

esperimento   ha   dimostrato   che   la   sequenza   amminoacidica   delle   catene  

polipeptidiche  delle  proteine  contiene  tutte  le  informazioni  necessarie  per  ripiegare  

la   catena   nella   struttura   tridimensionale   nativa.     Non   tutte   le   proteine   si   ripiegano  

spontaneamente.   Gli   chaperoni   molecolari   sono   proteine   che   interagiscono   con  

polipeptidi   parzialmente   o   impropriamente   ripiegati,   facilitandone   l’avvolgimento  

corretto.   Per   esempio   una   famiglia   di   proteine   chiamate   Hsp70     presenti   in   cellule  

sottoposte  a  elevate  temperature,  si  legano  a  regioni  non  ripiegate  di  un  polipeptide,  

ricche  di  amminoacidi  idrofobici  impedendo  un  ripiegamento  non  corretto.    

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Cap.5  

Le  funzioni  di  molte  proteine  richiedono  il  legame  di  reversibile  di  altre  molecole.  Una  

molecola  unita  reversibilmente  a  una  proteina  viene  detta  ligando.  Un  ligando  può  

essere   qualsiasi   tipo   di   molecola,   anche   una   proteina.   La   natura   transitoria   del  

legame   proteina-­‐ligando   è   fondamentale   in   quanto   permette   una   risposta   rapida   e  

reversibile  a  variazioni  ambientali  e  metaboliche.  Un  ligando  si  lega  ad  un  sito  della  

proteina   detto   sito   di   legame   che   è   complementare   al   ligando   stesso   per   forma,  

dimensione,  carica  e  carattere  idrofobico.  L’interazione  è  specifica:  una  proteina  

può   discriminare   tra   migliaia   di   molecole   diverse   presenti   nelle   vicinanze   e   legarne  

solo  una  o  poche.  Il  legame  tra  una  proteina  e  un  ligando  induce  una  modificazione  

conformazionale  della  proteina  che  in  questo  modo  permette  un  legame  più  saldo  e  

duraturo   con   il   ligando.   Tale   modificazione   prende   il   nome   di   adattamento  

indotto.  Gli  enzimi  rappresentano  un  caso  speciale  di  funzione  proteica.  Essi  legano  

e   trasformano   chimicamente   altre   molecole,   ovvero   catalizzano   una   reazione.   Le  

molecole  su  cui  agiscono  gli  enzimi  sono  dette  substrati  e  il  sito  che  lega  il  ligando  

viene   detto   in   questo   caso   sito   catalitico.   L’esempio   più   utilizzato   per   spiegare   il  

concetto   di   legame   reversibile   fra   ligando   e   proteina,   è   quello   del   legame   fra  

l’ossigeno   e   l’atomo   di   Fe   presente   nel   gruppo   prostetico   eme.   L’ossigeno   è   poco  

solubile  in  acqua  e  quindi  non  può  essere  trasportato  ai  tessuti  in  quantità  sufficienti  

se   è   semplicemente   disciolto   nel   plasma   sanguigno.   L’eme   è   costituito   da   una  

struttura  organica  complessa  ad  anello,  la  protoporfirina  a  cui  è  legato  un  singolo  

2+

atomo   di   ferro   nello   stato   di   ossidazione   ferroso   (Fe ).