AMMINOACIDI
= H
= CH3
= CH2
OH
SH
= CH2
= CH2
O
= CH2
O
OH
glicinaR
R
R
R
R
R
alanina
serina
cisteina
fenilalanina
tirosina
Gli amminoacidi che costituiscono le proteine sono 20 appartenenti alla serie L
COO-+H3N
Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R
Le catene laterali di tali a.a. danno origine ad interazioni idrofobiche che stabilizzano la struttura terziaria delle proteine
Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R
Le catene laterali di questi a.a. sono più idrofiliche di quelle degli a.a. non polari per la presenza di gruppi funzionali in grado di formare legami idrogeno con l’acqua
Classificazione degli amminoacidi in base al gruppo R
Amminoacidi con catene laterali acide
Amminoacidi con catene laterali basicheLe catene laterali di
questi a.a. sono più idrofiliche per la presenza di cariche nette positive o negative
Abbreviazioni e simboli degli α-amminoacidi
Spettro di assorbimento degli amminoacidi aromatici
La cisteina può formare ponti disolfuro
Stereoisomeria degli amminoacidi
Il carbonio degli amminoacidi è legato a 4 gruppi chimici diversi (tranne la glicina) ed è quindi un atomo di carbonio chirale o otticamente attivo. Poiché la disposizione degli orbitali di legame intorno al carbonio è tetraedrica, i 4 gruppi chimici possono disporsi nello spazio in due modi diversi e quindi gli amminoacidi possono esistere in due forme speculari non sovrapponibili, indicate con D e L. Le due forme si definiscono stereoisomeri, isomeri ottici o enantiomeri, otticamente attive in quanto possono ruotare il piano della luce polarizzata.
Gli amminoacidi presenti nelle proteine sono tutti stereoisomeri L.
Stereoisomeria degli amminoacidi
Per tutti i composti chiralici, gli stereoisomeri che hanno configurazioni assolute correlate alla L-gliceraldeide sono designati con la lettera L; gli stereoisomeri correlati con la D-gliceraldeide sono indicati con la lettera D
Proprietà acido-basiche degli amminoacidi
Proprietà acido-basiche degli amminoacidi
H2 + H+
Acido (donatore di protoni)
Base (accettore di protoni)
+ H+
H
Le sostanze che hanno questa doppia natura sono anfotere e sono chiamate anfoliti
Forme ioniche dell’alanina nelle soluzioni acide, neutre e basiche
Il pH al quale la carica netta di un amminoacido è uguale a zero viene definito punto isoelettrico (pI).
A valori di pH superiori al pI l’a.a. ha carica netta negativa, a valori di pH inferiori al pI l’a.a. ha carica netta positiva
Alcuni amminoacidi modificati
Gli amminoacidi costituenti le proteine:
• Sono venti, -amminoacidi, appartenenti alla serie L
• Sono anfoteri
• Caratterizzati da un punto isoelettrico (pI) dovuto ai
gruppi ionizzabili
• Esistono numerosi altri amminoacidi con ruoli diversi
• La sequenza degli amminoacidi (struttura primaria)
determina la struttura spaziale della proteina
• La struttura determina la funzione della proteina
Amminoacidi essenziali Amminoacidi non essenziali
Arginina Alanina
Istidina Asparagina
Isoleucina Aspartato
Leucina Cisteina
Lisina Glutammato
Metionina Glutammina
Fenilalanina Glicina
Treonina Prolina
Triptofano Serina
Valina Tirosina
Amminoacidi essenziali in alcune specie animali
Suino Pulcino Ratto
Arginina si si si
Fenilalanina si si si
Isoleucina si si si
Istidina si si si
Leucina si si si
Lisina si si si
Metionina si si si
Tirosina si si no
Treonina si si si
Triptofano si si si
Valina si si si
Glicina no si no
Il legame peptidico
Struttura del dipeptide valilalanina
Oligopeptide = pochi amminoacidi
Polipeptide = numerosi amminoacidi (massa molecolare < 10000 Da)
Proteina = migliaia di amminoacidi (massa molecolare > 10000 Da)
Struttura del pentapeptide seril-glicil-tirosil-alanil-leucina (Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu)
Per convenzione l’estremità amminica libera (N-terminale) si scrive a sinistra e l’estremità carbossilica libera (C-terminale) a destra. L’unione di più amminoacidi mediante legami peptidici genera un polipeptide. Ciascun amminoacido componente un polipeptide si chiama residuo.
Il legame peptidico è un sistema planare
Sei atomi giacciono sullo stesso piano
Classificazione delle proteine in base alla loro composizione
PROTEINE SEMPLICI: contengono solo amminoacidi (ad es. gli enzimi
ribonucleasi e chimotripsina)
PROTEINE CONIUGATE: sono composte da amminoacidi e da una parte non
amminoacidica (gruppo prostetico)
Classe Gruppo prostetico Esempio
Lipoproteine Lipidi 1-lipoproteina del sangue
Glicoproteine Carboidrati Immunoglobulina G
Fosfoproteine Gruppi fosforici Caseina del latte
Emoproteine Eme (ferro porfirina) Emoglobina
Flavoproteine Nucleotidi flavinici Succinato deidrogenasi
Metalloproteine
Ferro Ferritina
Zinco Alcol deidrogenasi
Calcio Calmodulina
Molibdeno Dinitrogenasi
Rame Plastocianina
Proteine coniugate
Classificazione delle proteine in base alla loro
funzione biologica
• ENZIMI: ossidoreduttasi, trasferasi, isomerasi,
ecc.
• PROTEINE DI TRASPORTO: emoglobina, albumina, ecc.
• PROTEINE DI RISERVA: ovalbumina, caseina, ecc.
• PROTEINE CONTRATTILI: actina, miosina, tubulina, dineina
• PROTEINE STRUTTURALI: collageno, elastina, cheratina, ecc.
• PROTEINE DI DIFESA: immunoglobuline, tossine batteriche
• PROTEINE REGOLATRICI: ormoni polipeptidici (insulina,
ormone della crescita ipofisario),
proteine G, ecc.
• Le proteine sono sostanze anfotere
• Si definisce punto isoelettrico (pI) di una proteina il
valore di pH al quale la proteina ha carica totale nulla
• Una proteina a pH = pI non migra in un campo
elettrico
• Il pI di una proteina è caratteristico di ogni proteina e
dipende dal numero, dal tipo e dalla disposizione degli
amminoacidi acidi e basici all’interno della molecola
• pH > pI proteina carica negativamente
• pH < pI proteina carica positivamente
Struttura covalente delle proteine
Relazione struttura-funzione delle proteine
• Tutte le proteine naturali sono composte con gli stessi 20 amminoacidi
• La loro diversa funzione è dipendente da:
- differente numero di amminoacidi che le compongono
- differente sequenza in cui sono disposti i residui amminoacidici;
ciascuna distinta sequenza amminoacidica si organizza in una
specifica struttura tridimensionale che determina la funzione della
proteina
• La sequenza dei residui amminoacidici costituisce la STRUTTURA
PRIMARIA di una proteina
Livelli di struttura nelle proteine
STRUTTURA PRIMARIA: sequenza lineare di residui amminoacidici uniti da
legami covalenti
STRUTTURA SECONDARIA: regolare ripetizione di conformazioni dello
scheletro polipeptidico, legata alla formazione di legami idrogeno tra l’azoto
ammidico e l’ossigeno carbonilico dei legami peptidici. Le più comuni strutture
secondarie sono l’-elica e la conformazione
STRUTTURA TERZIARIA: relazione spaziale tra tutti gli amminoacidi di una
catena polipeptidica, legata alla formazione di interazioni tra le catene laterali
di amminoacidi non adiacenti
STRUTTURA QUATERNARIA: relazione spaziale di due o più catene
polipeptidiche all’interno di una proteina
Livelli di struttura nelle proteine
Struttura secondaria delle proteine:-elica
L’-elica
• È stabilizzata da legami a idrogeno tra l’ossigeno carbonilico di un
legame peptidico e l’atomo di H legato all’atomo di N di un altro legame
peptidico posizionato 4 residui più avanti nella catena polipeptidica.
Ogni giro dell’elica è tenuto unito a quello adiacente da numerosi legami
idrogeno che rendono, così, la struttura stabile
• L’elica è destrorsa
• Le catene laterali degli amminoacidi sporgono verso l’esterno dell’elica
• La prolina destabilizza l’elica
Struttura secondaria delle proteine:conformazione
Conformazione Foglietto )
Struttura secondaria costituita da catene polipeptidiche distese (filamenti ) con andamento a zig zag.
I filamenti sono stabilizzati da legami idrogeno tra segmenti adiacenti della catena polipeptidica.
Le catene laterali di residui amminoacidici adiacenti si proiettano alternativamente sopra e sotto il piano del foglietto.
Filamenti adiacenti possono essere orientati nella stessa direzione (paralleli) o in direzione opposte (antiparalleli).
Struttura secondaria delle proteine:Ripiegamento
• Ripiegamento di 180° con cui una catena polipetidica inverte
direzione
• Comprende quattro amminoacidi in sequenza ed è stabilizzata da un
legame idrogeno tra il 1° e il 4° amminoacido
• Spesso sono presenti residui di Pro, Gly
Struttura terziaria delle proteine
Ripiegamento di una proteina nello spazio tridimensionale
Caratteristica della struttura terziaria è che amminoacidi lontani nella struttura primaria vengono a trovarsi vicini, consentendo lo stabilirsi di interazioni tra le loro catene laterali
La struttura terziaria è stabilizzata prevalentemente da interazioni deboli (non covalenti) ed in qualche caso da ponti disolfuro (legami covalenti).
Struttura terziaria delle proteine
Struttura terziaria delle proteine
Struttura quaternaria delle proteine
La struttura quaternaria definisce l’organizzazione spaziale in complessi tridimensionali di proteine costituite da due o più catene polipeptidiche (subunità) uguali o diverse.
Le subunità sono tenute assieme da interazioni deboli non covalenti (ad es. legami idrogeno, legami ionici, interazioni idrofobiche).
Proteina dimerica = costituita da due subunità
Proteina trimerica = costituita da tre subunità
Proteina tetramerica = costituita da quattro subunità
Proteina multimerica = costituita da numerose subunità
Struttura quaternaria delle proteine
Emoglobina
Classificazione delle proteine in base ai livelli strutturali
PROTEINE FIBROSE
• Costituite in gran parte da un unico tipo di struttura secondaria
• Hanno catene polipeptidiche disposte in lunghi fasci o in foglietti
• Determinano la resistenza, la forma e la protezione esterna delle cellule nei vertebrati
• Insolubili in acqua: presenza di molti amminoacidi idrofobici sia all’interno che all’esterno della proteina
PROTEINE GLOBULARI
• Contengono più tipi di struttura secondaria
• Hanno catene polipeptidiche ripiegate per assumere una forma globulare o sferica
• La maggior parte degli enzimi e delle proteine regolatrici sono globulari
• Più solubili in acqua: presentano un interno idrofobo e una superficie idrofila
Proteine fibrose: -cheratina
• Componente dei capelli, lana, penne, unghie, artigli, corna, zoccoli e strati
esterni della pelle
• È costituita da una struttura ad -elica destrorsa
• Due catene di -elica si avvolgono in un superavvolgimento sinistrorso
• Ha un ruolo strutturale
• È ricca di Cys che formano ponti disolfuro trasversali tra fibre adiacenti,
aumentandone la resistenza
18 % Cys
-cheratina dei capelli
La “permanente” dei capelli
riduzione piega ossidazione
Proteine fibrose: collagene, una tripla elica
• È la proteina più abbondante nei vertebrati
• Principale componente dei tessuti connettivi (ossa, tendini, denti,
cartilagini)
• Tre catene sinistrorse (catene ) avvolte tra loro a formare una
tripla elica destrorsa
• Composizione amminoacidica particolare
– Un residuo ogni tre è una glicina
– Ricco in prolina
– Amminoacidi inusuali (idrossilisina, idrossiprolina:
formano ponti a idrogeno)
Alterazione delle caratteristiche strutturali e funzionali di una proteina senza alterazione della sua struttura primaria
Denaturazione reversibile irreversibile
Agenti denaturanti: fisici e chimici
Fisici: calore, radiazioni, ultrasuoni
Chimici: Soluzioni di acidi o basi forti, sali di metalli pesanti, urea e guanidina
Effetto della denaturazione: perdita della funzionalità della proteina
Denaturazione
Esperimento di Anfinsen (Nobel per la Chimica 1972)
Ripiegamento delle proteine
• In E. Coli, una proteina attiva di 100 aa è prodotta in circa 5 secondi a
37 °C
• Un processo casuale per tentativi richiederebbe venti miliardi di anni
• Alcune proteine (chaperoni) “guidano” l’avvolgimento (ad esempio,
heat shock proteins)
Ripiegamento delle proteine
LLe proteine possono avere un alterato avvolgimento per:- Cambiamento struttura primaria- Difetto di chaperonine- Influenza di altre proteine
Disease Protein Involved
Inability to fold Cystic fibrosis CFTR
Gaucher's disease β-glucocerebrosidase
Fabry disease α- galactosidase A
Marfan syndrome Fibrillin
Amyotrophic lateral sclerosis Superoxide dismutase
Scurvy Collagen
Maple syrup urine disease α-Ketoacid dehydrogenase complex
Cancer p53
Osteogenesis imperfecta Type I procollagen pro α
Mislocalization owing to misfolding
Familial hypercholesterolemia LDL receptor
α1-Antitrypsin deficiency α-Antitrypsin
tay-Sachs disease β-Hexoseaminidase
Retinitis pigmentosa Rhodopsin
Leprechunism Insulin receptor
Malattie da proteine non correttamente avvolte
Disease Protein Involved
Systemic extra cellular amyloidoses
primary systemic amyloidosis Intact Ig light chains or fragments
secondary systemic amyloidosis Fragments of serum amyloid A protein
familial Mediterranean fever Fragments of serum amyloid A protein
Familial amyloidotic polyneuropathy1
Mutant transthyretin and fragments
Senile systemic amyloidosis wild-type transthyretin and fragments
Familial amyloidotic polyneuropathy II
Fragments of apolipoprotein A-1
Haemodialysis-related amyloidosis
2-Microglobulin
Finnish hereditary amyloidosis Fragments of mutant gelsolin
Lysozyme amyloidosis Full-length mutant lysozyme
Insulin-related amyloid Full-length insulin
Fibrinogen α-chain amyloidosis Fibrinogen α-chain variants
Organ-limited extra cellular amyloidoses
Alzheimer's disease Amyloid β-peptide
Spongiform encephalopathies Prion protein
Hereditary cerebral hemorrhage with amyloidosis
Amyloid β-peptide or cystatin C
Type II diabetes Amylin (Islet amyloid polypeptide)
Medullary carcinoma of the thyroid
Procalcitonin
Atrial amyloidosis Atrial natriuretic factor
Intracellular amyloidoses
Alzheimer's disease Amyloid β-peptide, Tau
Frontotemporal dementia with parkinsonism
Tau
Parkinson's disease; dementia with Lewy bodies
α-Synuclein
Creutzfeldt-Jakob disease Prion protein
Polyglutamine expansion diseases
Long glutamine stretches within certain proteins
Amyotrophic lateral sclerosis Superoxide dismutase
Le malattie prioniche
Il prione buono (PrPc)…. e quello cattivo (PrPsc) resistente a tutto e “contagioso”
La conversione PrPc PrPsc è autocatalitica