Appunti Biologia e genetica

NEUROTRASMETTITORI VERI E PROPRI.

Il legame peptidico e la struttura primaria

Il legame peptidico è un legame covalente molto resistente, che si origina alla reazione

chimica tra -NH2 e -COOH di 2 amminoacidi diversi, con l’eliminazione di un H2O.

La vicinanza tra C e N da al legame un carattere parziale di doppio legame, facendo sì che

quest’ultimo sia non rotazionale e rendendolo più robusto in termini energetici . Le catene

polipeptidiche sono quindi molto robuste nel tempo: questo diventa un problema da superare

quando si devono ricavare gli amminoacidi necessari dalle proteine contenute negli alimenti.

Per questo l’apparato digerente è dotato di proteasi, proteine enzimatiche che tagliano le

catene polipeptidiche quando necessario.

Quando due amminoacidi si legano, si forma un dipeptide, che avrà alle sue estremità un

-COOH e che potrà legarsi a sua volta con un altro -NH2 di un altro amminoacido, formando

un tri-peptide e così via.

Nella catena l’estremità con -NH2, l’inizio della catena,

prende il nome di terminale amminico, mentre quella con

-COOH, la fine della catena, prende il nome di terminale

carbossilico. Lo scheletro peptidico è quindi é

[-N-C-C-N-C-C-N-C-C-], attorniato dai vari gruppi R che

danno le proprietà ai vari tratti in cui si trovano. Questa

semplice sequenza di amminoacidi è definita LA

STRUTTURA PRIMARIA, ed è estremamente importante,

sia perchè le sue caratteristiche definiranno anche quelle

delle strutture successive, sia perché le informazioni genetiche relative alle strutture primarie

di tutte le catene polipeptidiche dell’organismo costituiscono IL PATRIMONIO GENETICO

DELL’ORGANISMO STESSO.

La struttura secondaria

Gli altri legami CN e C-C dello scheletro sono di tipo rotazionale, e permettono alla catena di

ruotare e ripiegarsi incessantemente sotto la spinta dell’agitazione termica e delle interazioni

con l’ambiente. Questi movimenti sono preclusi quando casualmente la catena venga ad

assumere una configurazione più stabile di quella precedente (ad. es quella ottenuta dai

legami idrogeno tra gli atomi H legati ad N con gli atomi O legati ai C). Gli avvolgimenti della

catena mediati dalla formazione di legami idrogeno a livello dello scheletro della molecola

sono detti STRUTTURE SECONDARIE. Queste strutture si dividono in:

● alfa elica: avvolgimento a spirale dato dai legami H lungo la catena, che uniscono tra

loro gli atomi appartenenti allo scheletro situati ad una distanza di 4 amminoacidi:

forma di cilindro rigido dalla cui superficie sporgono ordinatamente i vari gruppi R

● b foglietto: quando i legami H si formano tra tratti diversi della stessa catena o di

catene diverse= conformazione piana e simile ad una lamina

Le strutture secondarie (alfa eliche/ b foglietto) sono gli elementi architettonici di base delle

proteine. Queste possono combinarsi in modo vario tra loro costituendo i motivi della

proteina, cioè l’insieme di strutture secondarie che conferiscono alla macromolecola le sue

caratteristiche proprietà. ( ad es. il motivo presente in molte proteine che legano il DNA

denominato chiusura lampo di leucing, costituito da una sequenza di amminoacidi

contenenti delle leucine ripetute ogni 7 amminoacidi o i motivi costituiti da alfa eliche

anfipatiche, che caratterizzano molte proteine della membrana plasmatica come quelle che

costituiscono i canali ionici, i recettori o i vari sistemi di trasporto).

La struttura terziaria e la formazione dei domini funzionali delle proteine

La struttura terziaria di una proteina consiste nell’insieme degli avvolgimenti della catena

polipeptidica stabilizzati dalla formazione di legami tra i gruppi R dei vari amminoacidi

costituenti. Questi legami sono il più delle volte di tipo debole, come i legami idrogeno.

In altri casi i legami tra i gruppi R possono essere covalenti. Pertanto, la struttura terziaria

comprende una grande ed eterogenea varietà di legami chimici, accomunati solo dal fatto

che si stabiliscono a livello dei gruppi R.

Gli avvolgimenti di tipo terziario cooperano con quelli secondari, facendo sì che la catena

polipeptidica acquisisca la sua definitiva configurazione tridimensionale, da cui discende

l’attività biologica della proteina.

I primi avvolgimenti che hanno luogo sulla catena polipeptidica durante la sintesi proteica

determineranno i tipi e le modalità degli avvolgimenti successivi (le strutture secondarie e

terziarie dipendono dalla primaria). In molti casi, però, è necessario l’intervento di proteine

accompagnatrici denominate chaperonine, che interagiscono con la catena polipeptidica

nascente favorendone il corretto avvolgimento. La struttura primaria solitamente basta per

formare le strutture successive: molti studi sottopongono una proteina nativa, cioè a

configurazione naturale, ad un processo di denaturazione ottenuta ad esempio innalzando la

temperatura in ambiente riducente, e consiste nella rottura dei legami deboli e dei ponti

disolfuro che stabilizzano le strutture secondarie e terziarie.

La struttura quaternaria: le proteine multimeriche

Alcune proteine presentano un ulteriore livello di complessità strutturale, ovvero la struttura

quaternaria, tipica delle proteine multimeriche, costituite da più catene polipeptidiche, o

subunità, che possono essere tra loro uguali o diverse. L'unione tra le diverse subunità di

una proteina è resa possibile dal contatto tra punti specifici della superficie delle varie

subunità che permettono la formazione di legami deboli tra di esse. Le varie subunità sono

sempre a stretto contatto tra di loro, in modo tale che una modificazione della

conformazione di una data subunità causi immediatamente un cambiamento

conformazionale delle subunità in contatto con essa.

TIPICO ESEMPIO DI PROTEINA MULTIMERICA: L’EMOGLOBINA

La struttura quaternaria rappresenta un importante punto di arrivo del processo

dell’evoluzione molecolare, poichè la presenza in una proteina di subunità distinte permette

un ulteriore livello di regolazione fine della funzione della proteina stessa. L’importanza della

struttura quaternaria risulterà evidente analizzando i meccanismi della regolazione

allosterica dell'attività enzimatica.

Le modificazioni post-traduzionali delle proteine

Una volta completata la sintesi molte proteine vanno incontro a particolari modifiche

strutturali, le modificazioni post-traduzionali:

-Modificazioni post-traduzionali stabili

permettono a molte proteine di raggiungere la configurazione tridimensionale matura e sono

sempre ad opera di uno o più enzimi specifici che al momento opportuno intervengono sulle

catene modificandole.

sono di vari tipi:

1) Tagli proteolitici: il taglio di una proteina eseguito da specifici enzimi detti proteasi:

➔ la catena polipeptidica viene tagliata i frammenti; quando i tagli sono molteplici può

significare che l’azione è finalizzata a distruggere una proteina difettosa o inutile.

Quando il taglio invece è uno solo o sono pochi vuol dire che sono eseguiti sulle

catene subito dopo la sintesi e o sono finalizzati a regolare l’attività biologica della

proteina, o permettono di generare due o più proteine diverse, ognuna con attività

biologica propria. (ad es rimuovere porzioni che erano necessarie per il corretto

avvolgimento della catena ma che dopo la sintesi ostacolano il funzionamento della

proteina)→classico esempio di taglio proteolitico è quello che genera l’insulina, un

ormone proteico prodotto da alcune cellule del pancreas che diminuisce la

concentrazione del glucosio nel sangue. Per produrre l’insulina le cellule del

pancreas sintetizzano una lunga catena polipeptidica inattiva, detta pro-insulina, che

acquisisce un'adeguata struttura terziaria dopo la sintesi. La pro-insulina viene poi

tagliata in tre pezzi da un enzima proteolitico; il pezzo intermedio viene eliminato, e i

due rimanenti vengono uniti da ponti disolfuro, costituendo l’insulina vera e propria.

In altri casi i tagli proteolitici dividono un’unica catena polipeptidica i tanti frammenti

dando origine a proteine singole ognuna avente una funzione unica e indipendente

dalle altre→es. molecola proteica pro-opiomelanocortina (POMC), ormone prodotto

da tanti distretti del nostro organismo, il più importante dei quali è l’ipofisi, ghiandola

endocrina posta alla base del nostro encefalo. La POMC è sottoposta a una serie di

tagli che la suddividono in frammenti, ciascuno dei quali svolge importanti funzioni

ormonali. (PARTE IMPORTANTE PERCHE’ SI PARLA DEL CERVELLO): I primi tagli

producono gli ormoni

○ ACTH,che viene nuovamente tagliato a metà e uno dei due frammenti viene

eliminato, e l’altro prende il nome di a-MSH

○ B-lipotropina, che viene nuovamente tagliato e forma la il

ሃ-lipotropina,

B-MSH e proteine dette B-endorfine. Queste ultime possono essere

ulteriormente tagliate generando corte molecole dette encefaline. Le

encefaline fanno parte della famiglia degli oppioidi endogeni, così chiamati

perchè ai loro recettori possono legarsi anche molecole di origine sia naturale

(derivati dell’oppio), sia di sintesi dette gli oppiacei, quali la morfina, l’eroina,

la codeina, il metadone. Gli oppioidi endogeni sono importanti

neuromodulatori del sistema celebrale di percezione delle sensazioni

dolorifiche. SI ritiene che in condizione di stress la produzione di endorfine e

encefaline aumenti sensibilmente permettendo al nostro organismo di

resistere meglio al dolore dato l’effetto analgesico di queste molecole.

○ e ሃ-MSH.

2) Aggiunta di porzioni non proteiche: altro caso di modificazione post-traduzionale

➔ della catena polipeptidica: aggiunta alla catena di porzioni di natura non proteica

mediante legami di vario tipo. La natura chimica di queste porzioni non proteiche,

dette a seconda dei casi residui o gruppi prostetici, è varia e le proteine così

modificate sono indicate con il termine generico di proteine coniugate. Nel caso di

proteine costituenti della membrana plasmatica o destinate ad essere secrete

nell’ambiente extracellulare, i residui spesso consistono in catene di oligosaccaridi.

L’aggiunta alla catena polipeptidica di residui oligosaccaridici è detta glicosilazione

delle proteine, che modificate prendono il nome di glicoproteine.

Si parla invece di gruppo prostetico quando la molecola non proteica aggiunta si

tratta di una molecola organica complessa (es. emoglobina)

-Modificazioni post-traduzionali reversibili

Quando le modificazioni sono reversibili o transitorie rappresentano dei meccanismi

di regolazione dell’attività biologica della proteina. Qualunque cambiamento della

co